CN100517049C

CN100517049C - 摄像装置

Info

Publication number: CN100517049C
Application number: CNB2004100708543A
Authority: CN
Inventors: 武山哲英
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2003-07-24
Filing date: 2004-07-23
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2024-07-23
Also published as: US7589872B2; JP4169661B2; JP2005045670A; EP1500964A1; US20050219648A1; CN1577045A

Abstract

一种摄像装置，从物体侧依次包括：扫描镜(2)，扁平状透镜组(3)，扁平状二维图像传感器(4)，和图像合成处理装置(5)，其中由扫描镜扫描并由二维图像传感器获得的图像被连接成一合成图像。扁平状是在垂直的两个方向上具有不同的外形尺寸的形状，在将这两个方向中外形尺寸较短的方向作为短侧方向时，透镜组(3)在短侧取向上与二维图像传感器(4)一致。该光学系统具有全部被排列成通过共同的轴线的多个透镜。二维图像传感器(4)的摄像面的高宽比α满足下面的条件：0.05＜α＜0.5。相对于通过图像合成处理装置(5)合成的一个合成图像，分成2至32段的图像的其中一段对应于单一扫描操作中由二维图像传感器(4)所获得的拍摄图像。

Description

摄像装置

技术领域

本发明涉及一种可转换高宽比(aspect ratio)的结构紧凑小巧的摄像装置(imaging apparatus)。

背景技术

在常规的摄像系统中，例如，在日本专利特开平No.6-82691中，一种用变形转换器(anamorphic converter)来转换摄像光学系统的高宽比的技术是公开的。

该现有技术文中描述的变形转换器示于图1A、1B。此变形转换器是将柱面透镜G1、G2、G3组合而成的，每个透镜都只在画面的水平或垂直方向上具有光焦度。如此，仅在画面的水平或垂直方向上产生放大或缩小图像的作用。变形转换器被设计成对摄像光学系统可装可拆，由此摄影者能转换拍摄图像(photographing image)的高宽比。

但该现有技术具有下述问题。首先，为了转换摄影者的拍摄图像的高宽比，需进行操作以便安装、拆卸或替换变形转换器。因此，摄影者难以迅速切换高宽比。其次，可由变形转换器转换的拍摄图像高宽比是一定的，因此为了转换高宽比以获得不同的高宽比，就必须按所需高宽比准备多种替换用的变形转换器。这样就相应地增加了购买替换用的变形转换器的费用。另外还产生一些问题：增加了携带摄像装置的负荷，操作变得复杂，并需有储备转换器的空间。

近年来一直需要结构紧凑小巧的摄像装置。其尺寸对应于例如设置有磁介质的卡。但是，由于这样的结构，即采用柱面透镜的变形转换器为了转换高宽比须加以替换，因此难以使摄像装置结构紧凑小巧。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种不用转换器而能迅速获得多种高宽比并能使结构紧凑小巧的摄像装置。

为了实现这一目的，本发明的摄像装置，从物体侧依次包括：扫描镜，扁平状光学系统，扁平状二维图像传感器，和图像合成处理装置，由扫描镜扫描并由二维图像传感器获得的各个图像在该图像合成处理装置中被连成一合成图像。所述扁平状是在垂直的两个方向上具有不同的外形尺寸的形状，在将所述两个方向中外形尺寸较短的方向作为短侧方向时，光学系统在短侧取向上与二维图像传感器相一致。所述光学系统具有多个透镜，该多个透镜全部被排列成通过共同的轴线。

在本发明摄像装置中，二维图像传感器的摄像面的高宽比α满足下列条件：

0.05＜α＜0.5 (1)

在本发明摄像装置中，相对于一个经图像合成处理装置合成的一个合成图像，分成2至32段的其中一段图像相当于单一扫描操作中由二维图像传感器所获得的拍摄图像。

结合附图由下面对优选实施例的详述，本发明的这些特点优点及其他特点优点会一目了然。

附图说明

图1A、1B分别为俯视、侧视剖面图，示出高宽比的转换技术的一个贯常例；

图2A、2B分别为俯视、侧视剖面图，示意性地示出本发明的摄像装置之一实施例；

图3A、3B分别为俯视、侧视剖面图，示出局部放大的本发明实施例的摄像装置的摄像光学系统。

图4A、4B、4C为曲线图，示出图3A、3B的摄像光学系统的纵向像差特性；

图5A、5B、5C为说明性示图，示出在本发明实施例的摄像装置中拍摄图像的一些例子，其中合成图像的高宽比分别为3∶4、任意比和16∶9。

图6为说明性视图，示出本发明实施例的摄像装置中与合成图像有关的拍摄图像的一个修改示例；

图7A、7B、7C示意性地示出一个修改示例，其中可变角度棱镜式旋转镜在本发明实施例的摄像光学系统中用作一维扫描镜并沿不同取向旋转；以及

图8A、8B分别为对图7A-7C的修改示例中所用的可变角度棱镜式旋转镜加以说明的俯视、侧视图。

具体实施方式

在对实施例进行描述之前，要对本发明的功能和效果加以说明。

在本发明摄像装置中，拍摄图像数通过扫描控制而改变并获得图像，这样图像就被合成，并产生了合成图像。因此，不用诸如转换器等的辅助装置就可迅速转换高宽比。并且，选择待合成的拍摄图像的开始图像(摄影开始位置)，从而，合成图像的摄影区域的中心可沿一方向(例如，沿水平方向)可选择地改变。通过采用扫描镜，光路被弯折，摄像装置的尺寸就可得到缩减。此外，当构成为扁平状的光学系统和二维图像传感器在相同方向上使用时，就可使摄像装置的结构小巧紧凑。

条件(1)适合于在保持图像质量良好的同时获得紧凑小巧的结构以及确定二维图像传感器的摄像面的高宽比。

若摄像面的高宽比α低于条件(1)的下限且变得很小，那么同被应用有合成处理的拍摄图像(合成图像)的高宽比的差异就变得太大。这就意味着在产生合成图像时，需大量图像(分段图像)。但是，二维图像传感器的曝光和所得图像的读取需要预定的时间。因此，例如当拍摄运动的物体时，图像变得很模糊，图像质量也显著恶化。

若摄像面的高宽比α超过条件(1)的上限且变得很大，就须将通过光学系统的光线的有效直径域放大。在这种情况下，光学系统的扁平度比增大，趋至1.0。结果，光学系统体积变大，难以使摄像装置结构小巧。

如果组成一合成图像的分段图像的数量少于2，光学系统的扁平度比就因有效光线直径的加大而趋于1.0。因此，光学系统体积变得很大，从而难以将摄像装置设计得小巧。

如果组成一合成图像的分段图像的数量超过32，分段图像与应用有合成处理的拍摄图像之间的高宽比的差异就会变得太大。这样，在产生合成图像时，需要大量图像(分段图像)。然而，二维图像传感器的曝光和所得图像的读取需要预定的时间。因此，例如当拍摄运动物体时，图像就会变得很模糊，且图像质量也显著恶化。

在本发明中，光学系统构成为扁平形状(例如，卵币形)。具体地说，光学系统构成为，使其厚度在与具有扁平形状的二维图像传感器的摄像面的短侧方向相同的方向上制得很小(外形尺寸制得很小)。如此，就可实现摄像装置结构的紧凑、小巧。

在本发明中，扫描镜可以MEMS(微机电系统)万向架镜的形式构成。或者，它也可以以一维旋转镜的形式构成，该一维旋转镜具有随着旋转而产生不同反射角的反射面。

优选是，将本发明的摄像装置应用于厚度为1-5mm的卡。厚度小于1mm的卡太薄，因此难以制造摄像装置。超过5mm，卡就太厚了。

按照附图，本发明实施例描述如下。

图2A、2B示出实施例的摄像装置。图3A、3B示出本发明实施例的摄像装置的摄像光学系统。图4A-4C示出摄像光学系统的纵向像差特性。

图5A-5C示出实施例的摄像装置中拍摄图像的一些例子。图6示出实施例的摄像装置中与合成图像有关的拍摄图像的一个修改示例。

实施例的摄像装置包括一维扫描镜2，透镜组(lens unit)3，二维图像传感器4，图像合成处理装置5，均位于卡体罩(card body housing)1内。二维图像传感器4对一维扫描镜2所扫描的区域进行摄像。图像合成处理装置5将由二维图像传感器4获取的各个图像连接成一个合成图像。附图中，附图标记1a表示摄影用开口，6表示孔径光阑，7表示扁平状二维图像传感器用盖玻片。

一维扫描镜2是以MEMS(微机电系统)万向架镜(gimbal mirror)的形式构成的。

透镜组3在相互垂直的两个方向上具有不同的外形尺寸并成扁平状。扁平的取向是这样的，即在光线被一维扫描镜2折射的方向上的外形尺寸很小。如下所述，在这里二维图像传感器4的摄像面也成扁平状。这样放置透镜组3以使得在与二维图像传感器4的摄像面的短侧方向相同的方向上的厚度变得很小。即，扁平状光学系统3在扁平取向上与扁平状的二维图像传感器4一致。

二维图像传感器4的形状也是扁平的。更具体地说，摄像面呈扁平状。摄像面的高宽比α满足条件(1)。

二维图像传感器4具有这样多的像素，从而相对一个合成图像获得分成2至32段的拍摄图像。在本实施例的摄像装置中，通过图像合成处理装置5产生一个合成图像。在这种情况下，为了产生合成图像，采用了分成任意n段(n为整数且2≤n≤32)的图像。这样，当实施例的摄像装置构成为，使得图像被分为n段的其中一段相当于单一扫描操作所得的拍摄图像。图像被分成的段数取决于扫描镜2的转速和二维图像传感器4的摄像时间。

例如，如图5A所示，当对一个被分成16段的区域进行扫描并摄像以获得分段图像时，这些分段图像被合成，合成图像的高宽比为3∶4。如图5C所示，当对一个被分成21段的区域进行扫描并摄像以获得分段图像时，这些分段图像被合成，合成图像的高宽比为16∶9。这样，本实施例的摄像装置这样设计，使得被分成n(此处n为整数，且2≤n≤32)段的区域被扫描且合成图像的高宽比可任意地改变。二维图像传感器4的摄像时间和单一扫描操作中扫描镜2的扫描速度取决于一个合成图像被分成的段数，其中合成图像由单一快门操作(单摄)产生。

在上述构成的本实施例的摄像装置中，通过改变一维扫描镜2的角度在一维方向上对图像进行n次扫描，和在从开口1a入射的光中、在一预定摄影区域中、由一维扫描镜2所分割的光被一维扫描镜2反射并由二维图像传感器4通过透镜组3和盖玻片7摄像。在各个扫描操作中形成的图像通过图像合成处理装置5被连接在一起。当完成n次扫描操作时就产生了一个合成图像。

其次，下面示出构成实施例摄像装置的摄像光学系统的光学元件的数字数据。

还有，当z取为光轴方向的坐标，y为垂直于光轴方向的坐标，K为锥形常量，和A、B、C、D为非球面系数时，非球面的构造就由下式表示：

z＝(y²/r)/[1+{1-(1+K)(y/r²)}^1/2]+Ay⁴+By⁶+Cy⁸+Dy¹⁰

数字数据1

焦距：4.65mm

F数(光圈值)：2.8

像高：1.68mm

面数曲率半径面间距折射率阿贝数

(mm) (mm) (d线)

物体面 ∞ ∞

孔径光阑 ∞ 2.000

2 -3.687 2.154 1.69350 53.2

3 -2.896 0.100

4 4.440 2.412 1.74330 49.3

5 -5.702 2.000 1.84666 23.8

6 4.660 0.914

7 ∞ 1.000 1.51633 64.1

8 ∞ 0.605

画面 ∞ 0.000

非球面数据

第二面

K＝4.558237

A＝-0.435904*10^-2 B＝-0.315536*10^-2 C＝0.682960*10^-3

D＝0.367140*10^-3

第三面

K＝0.372397

A＝-0.479874*10^-2 B＝0.738046*10^-3 C＝-0.740595*10^-5

D＝0.519471*10^-5

第四面

K＝-3.668441

A＝0.159853*10^-2 B＝0.665283*10^-3 C＝-0.163756*10^-4

D＝-0.278468*10^-5

第六面

K＝3.304163

A＝0.765822*10^-2 B＝-0.278814*10^-2 C＝0.101811*10^-2

D＝-0.755198*10^-4

在扁平状二维图像传感器的摄像面中，像素尺寸为2.8μm，像素数为1200像素*100像素，扁平状透镜组的光学面的最大尺寸为2.4mm*5.56mm。

实施例中卡体罩1的厚度被设计为在2.4mm至5mm的范围内。

根据实施例摄像装置，由于通过扫描镜在各个扫描操作中得到的拍摄图像被合成从而形成一个图像，因此待合成的拍摄图像的数量被计数，从而可改变高宽比。因此，不使用例如常规转换器的辅助装置就能迅速改变高宽比。

通过选择待合成的拍摄图像的开始图像，沿一个方向(如沿水平方向)可选择地改变合成图像摄影区域的中心。

此外，扫描镜2用来弯折光路，因此可相应缩减摄像装置的大小。另外，由于光学系统3和二维图像传感器4沿相同方向形成为扁平状，因此能使摄像装置的结构紧凑小巧。

在本实施例的摄像装置中，图像由二维图像传感器4获取并由图像合成处理装置5连接。在这种情况下，由图像合成处理装置5进行的图像合成处理和一维扫描镜2的反射角可以这样控制，即如图6所示，使相邻扫描图像I₁、I₂、I₃、...、I_m(m≤n)通过部分区域重叠而被连接。即使在摄像装置以这种方式构造时，也可以任意改变合成图像的高宽比。

还有，尽管图2A、2B和图3A、3B中一维扫描镜2是以MEMS万向架镜的形式构成的，但它也可以用可变角度旋转镜的形式构成，如图7A-7C所示。

图7A-7C示出用作本实施例的摄像光学系统的一维扫描镜2的可变角度棱镜式旋转镜。图8A、8B示出用在图7A-7C中的修改示例的可变角度棱镜式旋转镜。

如图8A所示，可变角度棱镜式旋转镜是这样构成的，使得多个反射面2a设置在周边上，多个反射面2a中的反射角随着旋转而连续改变。

如图7A-7C所示，通过使可变角度旋转镜旋转，反射面2a的反射角改变，且预定摄影区域被从开口1a入射的光中所分割的光扫描。之后，通过与图2A、2B和图3A、3B中所示摄像装置中相同的处理产生一个合成图像。

根据本发明，从上述说明中可清楚得知，不用转换器就可迅速获得各种高宽比，并使得摄像装置的结构紧凑小巧。

Claims

1.一种摄像装置，从物体侧依次包括：

扫描镜；

扁平状光学系统；

扁平状二维图像传感器；以及

图像合成处理装置，用来将由扫描镜扫描的、由二维图像传感器获得的各个图像连接成一个合成图像，

其特征在于，所述扁平状是在垂直的两个方向上具有不同的外形尺寸的形状，

在将所述两个方向中外形尺寸较短的方向作为短侧方向时，所述光学系统在短侧取向上与所述二维图像传感器相一致，

所述光学系统具有多个透镜，该多个透镜全部被排列成通过共同的轴线。

2.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，二维图像传感器的摄像面的高宽比α满足下例条件：

0.05＜α＜0.5。

3.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，相对于通过所述图像合成处理装置合成的一个合成图像，分成2至32段的图像的其中一段对应于单一扫描操作中由二维图像传感器所获得的拍摄图像。

4.如权利要求1-3中任何一个所述的摄像装置，其特征在于，扫描镜是以MEMS万向架镜的形式构成的。

5.如权利要求1-3中任何一个所述的摄像装置，其特征在于，扫描镜是以一维旋转镜的形式构成的，该一维旋转镜具有多个反射面，其中反射角随着旋转而连续改变。

6.如权利要求1-3中任何一个所述的摄像装置，其特征在于，摄像装置具有厚度为2.4-5mm的卡体罩，

在该卡体罩的内部设置有所述扫描镜、所述光学系统、所述二维图像传感器以及所述图像合成处理装置。

7.如权利要求1-3中任何一个所述的摄像装置，其特征在于，由所述图像合成处理装置连接的相邻扫描图像在部分区域重叠。