JP2003224745A - 画素シフトカメラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ＣＣＤを微小移動させて複数の画像を撮りこれ
らの画像を合成して最終画像を得る画素シフトカメラに
おいて、サイズ、与圧、アオリ、及びゴミの問題を解決
する。 【解決手段】積層圧電素子に変位に依存しないほとんど
一定の強い与圧をかけることによって、強くて安定した
圧電アクチュエータを構成し、ＸＹテーブルを含むＣＣ
Ｄ回りの構造設計にできる限りの自由度を与えることに
よって解決した。具体的には、洗濯バサミ状の構造体に
５Ｋｇ以上の鋏み力を与え、これで積層圧電素子を鋏み
つけることで圧電アクチュエータを構成し、これをＣＣ
Ｄの背後に配置することで直径５０ｍｍの円筒形の中に
全てを収めることができた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、画素シフトカメラ
のＣＣＤ微小移動構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】画素シフトカメラは、昨今流行の「デジ
カメ」とは異なり、業務用としてのみ流通しており、顕
微鏡画像の入力装置としては高い評価を得ている。理由
は、被写体が静止していることが条件として満足される
場合には、コストの割には圧倒的な高解像度が得られる
からである。一般的には、ＣＣＤ２次元イメージセンサ
（以降ＣＣＤという。）として正方形画素の全画素読み
出しタイプのものを用いることにより画素毎の情報を損
なわずに取り出せるように構成した上で、ＣＣＤと入射
光の相対位置を何らかの方法で微小移動させて画素間の
情報を読み出していくことによりＣＣＤ単体の画素数の
４倍乃至９倍の画素数の画像を構築するものである。

【０００３】しかし、画素の大きさは４〜７μｍ程度で
あり、求められる移動寸法はその３分の１乃至２分の１
の単位なので、如何にして正確で速い移動を行い安定し
た再現性を保つかがこの種のカメラの性能を左右する課
題のひとつであった。例えば、２／３インチ１４０万画
素のＣＣＤを用いた場合、移動したい最大の距離は、理
由は本発明の主要な部分ではないので省略するが、画素
寸法６．７μｍの３分の５の１１．１７μｍである。速
い移動を実現するためには、積層圧電素子を用いるのが
適切と思われ、８０Ｖで４μｍほど伸びる積層圧電素子
を用いてアクチュエータを構成しようとすると、約３倍
に変位増幅しなければならないが、構造と部品の形状に
よっては、摩擦によるヒステリシスや弾性変形による変
位のロスが生じる。

【０００４】この解決策として、本発明者が特開平９−
２１９８６７で提案した構造は、Ｘ、Ｙ方向に自在に動
く移動プレートを有するＸＹテーブルと、前記移動プレ
ートをＸ、Ｙ方向に引っ張るための連結部材つきの剛性
の強い金属部材（変位増幅アングル）２本と、これらを
押す積層圧電素子２個とで構成され、これらを比較的厚
みのある金属板（ベースプレート）に固定し、さらにこ
のベースプレートをカメラ本体に固定する構造となって
いた。ＸＹテーブルは、弾性を有する薄板を折り曲げて
作られており、長方形が菱形になるような形で変形する
ことにより移動プレートを平行移動する形状を２方向に
形成することで実現していた。そして、前記変位増幅ア
ングルは一方の端を支点として若干回転するように支持
部材を介して前記ベースプレートに固定され、積層圧電
素子は前記変位増幅アングルの前記支点寄りの部分を押
す形となるように固定され、ＸＹテーブル上の移動プレ
ートを前記連結部材で横から引っ張る構造となってい
た。このように部品がほぼ同じ平面上に並ぶ構造だった
ため、カメラの幅と高さが大きくなって持ちにくく商品
価値を下げてしまっていた。

【０００５】図３は、実際に量産されている画素シフト
カメラのＣＣＤ周辺の部品配置を背後から示した図であ
り、変位増幅率は約４倍となっており、破線で示してあ
る２０がＣＣＤである。ＣＣＤ２０は移動プレート２１
に密着して取り付けられ、移動プレート２１には２つの
引っ掛けアングル２１ａ、２１ｂがあり、それぞれ連結
部材２２、２３によって引っ張られる形となり、前記連
結部材２２、２３はそれぞれ変位増幅アングル２４，２
５の先端にネジ止めされている。前記変位増幅アングル
２４，２５は剛性の強いステンレスの角材であり、もう
一方の端部はステンレスの薄板を介してベースプレート
２６の立ち上がり部にネジ止めされている。積層圧電素
子２７，２８はそれぞれ金属キャップ２９，３０が先端
に接着されており、これで前記変位増幅アングル２４，
２５の４分の１の位置を押し付けるようになっており、
後端はピエゾ支持ブロック３１，３２に接着されてい
る。前記ピエゾ支持ブロック３１，３２は、前記ベース
プレート２６の立ち上がり部に取り付けられた与圧ネジ
３３，３４によって位置が微妙に調整され、調整後前記
ベースプレート２６にネジ止めされるようになってい
る。前記ベースプレート２６は、ＣＣＤ２０の中心がレ
ンズ中心（図示せず）にくるようにカメラ本体３５に固
定される。このような構成となっているため、幅７８ｍ
ｍ、高さ６９ｍｍと、大きくなっている。

【０００６】また、積層圧電素子に対する与圧は、予め
移動プレートを僅かに引っ張るように各部品を固定する
ことで、ＸＹテーブルのバネ性によって積層圧電素子に
圧力が掛かるようにしていた。具体的には、３００μｍ
ほど移動プレートが移動する程度で、これには２００ｇ
位の力が必要となっている。そのため、圧電素子に掛か
る与圧は約４倍の８００ｇ程度であり、ＸＹテーブルの
与圧のための変形量（３００μｍ）と画素シフトのため
の変形量（１１μｍ）の差が小さいため、与圧が変化し
易く不安定であった。それだけでなく、他にも様々な問
題を抱えていた。すなわち、薄板を折り曲げて作られた
ＸＹテーブルの問題としては、アオリ、つまりＣＣＤの
受光面の向きが正確に前を向かないという問題があっ
た。加工誤差と取り付け誤差によって、長方形が菱形に
なるような形で変形するのではなく、台形が崩れた台形
になるような形で変形するのが主な原因であった。さら
に、このアオリを修正するために、前記ベースプレート
をカメラ本体側からネジで突き上げて若干ベースプレー
トを変形させるなどの対策が必要となるが、この対策が
さらに、前記与圧に悪影響を及ぼし、与圧不足による作
動不良を招いたり、ＣＣＤ位置が変化してバックフォー
カスの再調整が必要になったりと問題が多かったのであ
る。さらに、ＣＣＤ素子を密封できる構造ではなく、Ｃ
ＣＤを微小移動させなければならない都合で至る所に隙
間があるため、ゴミがつきやすく、ＣＣＤ装着後の全て
の工程をクリーンルームで行なうか、傷をつけずにゴミ
やしみをふき取ることのできる熟練工を育てるか、専門
メーカーに清掃を委託するしかなく、コスト上でも大変
な問題があったのである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】解決しようとする問題
点は、サイズ、与圧、アオリ、及びゴミの問題である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】積層圧電素子に、変位に
依存しないほとんど一定の強い与圧をかけることによっ
て強くて安定したアクチュエータを構成し、ＸＹテーブ
ルを含むＣＣＤ回りの構造設計にできる限りの自由度を
与えることによって解決した。すなわち、アクチュエー
タが強いため、移動部が少々重くても良いのでＣＣＤに
赤外線カットフィルタで蓋をすることができる。この蓋
をするためには複雑なＸＹテーブルは邪魔になるが、ア
クチュエータが強いため、Ｏリング一個で済ますことが
できる。アオリを完全に無くすためにＣＣＤ取り付け部
材に４本の支柱を立てて面をしっかり固定しても、アク
チュエータが強いため、支柱に若干の弾性があれば微小
移動に支障はない。アオリの心配がないならば、必ずし
もＣＣＤ取り付け部材を真横から引っ張る必要はないの
で、ＣＣＤ取り付け部材にポールを立ててこのポールの
先端部を引っ張る方式が可能となり、アクチュエータを
ＣＣＤの横ではなく背後に設置することができるように
なり、従来に無くスリムな画素シフトカメラが可能とな
るのである。

【０００９】

【発明の実施の形態】サイズ、与圧、アオリ、及びゴミ
の問題解決という目的を、部品点数をむしろ減らした上
に、性能を損なわずに実現した。

【００１０】

【実施例】図１は、本発明装置の画素シフトカメラを示
す平面図であって、ＣＣＤ１はＣＣＤベース２を鋏むよ
うにＣＣＤ回路基板１５に半田付けされると共にフィル
ターハウジング３、及び赤外線カットフィルタ４によっ
て密封される構造となっており、前記赤外線カットフィ
ルタ４はＣトメワ５により固定されている。前記ＣＣＤ
ベース２には４本のサイドピラー７が圧入されており、
このサイドピラー７の反対側はインナーベース１４に圧
入されている。前記ＣＣＤベース２のＣＣＤと反対側に
はセンターポスト６が立ててあり、これにＹ軸用の圧電
アクチュエータ８とＸ軸用の圧電アクチュエータ９の連
結部材が一本のネジで共締めされている。前記圧電アク
チュエータ８、９はカメラ本体のハウジングベース１１
にネジ止めされ、前記フィルターハウジング３はＯリン
グ１０を介して前記ハウジングベース１１に軟らかく固
定される。前記Ｏリング１０は、レンズ用Ｃマウントネ
ジ付きのフロントエンド１２により前記ハウジングベー
ス１１に固定されている。１３は、前記インナーベース
１４を前後にスライド可能に支持するとともに固定する
ための棒状の部材、ハウジングピラーであり、３本が前
記ハウジングベース１１に圧入され、反対側はリアエン
ド１９がネジ止めされている。１８は、多ピンコネクタ
ーとこれにつながるＲＥＡＲ回路基板１６を固定するコ
ネクターパネルであり、前記インナーベース１４と同様
にハウジングピラー１３に固定される。前記ＲＥＡＲ回
路基板１６にはＦＰＣコネクター１７が実装されてお
り、ＦＰＣにより前記ＣＣＤ回路基板１５に実装されて
いるＦＰＣコネクター（図示せず）と接続される。

【００１１】図２は、本発明装置の画素シフトカメラの
主要部分を示す分解斜視図であって、前記ＣＣＤ１、Ｃ
ＣＤベース２、フィルターハウジング３、カットフィル
タ４、Ｃトメワ５、センターポスト６、サイドピラー７
の形を、断面を斜線で示しながら表現するとともに、前
記圧電アクチュエータ８の構成を示している。８ｈは連
結部材としてのアクチュエータヘッドであり、連結軸方
向には剛性が強くそれ以外の方向には弾性を持つような
形状となっており、アクチュエータアーム８ｂにネジ止
めされ、前記アクチュエータアーム８ｂはアクチュエー
タベース８ａに対してアクチュエータピン８ｉによって
回転自由に連結されている。８ｄは、発生力２０Ｋｇの
積層圧電素子であり、前記アクチュエータベース８ａの
上に置かれ、上からアジャストブロック８ｅを介して前
記アクチュエータアーム８ｂにより押さえつけられる。
前記アジャストブロック８ｅは、組み立て易くするため
に薄いバネ材で作られたブロックホルダ８ｇによって予
め前記アクチュエータアーム８ｂに仮止めされ、さらに
アクチュエータ調整ネジ８ｆによって前記アクチュエー
タアーム８ｂ側から押されるようになっている。前記ア
クチュエータベース８ａと前記アクチュエータアーム８
ｂは、間に強力な与圧バネ８ｃが図のように挿入されて
おり、前記積層圧電素子８ｄを挟み込んだ後、前記アク
チュエータ調整ネジ８ｆによってほぼ平行になるように
調整される。与圧バネ８ｃの強さは、前記積層圧電素子
８ｄをその発生力のほぼ半分程度の力、この場合１０Ｋ
ｇで鋏むことができるようにバネ設計される。こうし
て、前記アクチュエータヘッド８ｈの駆動力は約３Ｋｇ
となり、従来の１０倍の強力なアクチュエータが実現で
きる。

【００１２】このように、圧電アクチュエータの配置を
ＣＣＤの背後に持ってくることができたためカメラ全体
を直径５０ｍｍの円筒形の中に収めることが可能とな
り、従来の６９ｍｍｘ７８ｍｍに比べると面積比で３分
の１近くにまで小さくなった。また、従来板金加工によ
り作られていたＸＹテーブルやベースプレートが無くな
ったため、これらを止めていたネジが不要となり、合計
５０本以上あったネジが約半分になった。

【００１３】与圧の画素シフトに伴う変動量に関して
は、例えば、バネの両腕の開き角度を９０度に成形し、
組立後はほぼ平行になるとすれば、バネの先端の変形量
は２０ｍｍ以上となり、画素シフトに伴う変形は１１μ
ｍ程度であるから、与圧変動は２００００分の１１以下
となる。従来の３００分の１１と比較すると飛躍的に改
善されている。

【００１４】アオリに関しては、４本の前記サイドピラ
ー７に依るところが大きいが、寸法精度が多少悪くて
も、４本のばらつきが余程大きくない限り、問題は無
い。

【００１５】ゴミに関しては、従来ＣＣＤと赤外線カッ
トフィルターの表と裏の３面について掃除をする必要が
あったが、本発明ではＣＣＤを完全に密封する構造にで
きたため、赤外線カットフィルターの表のみを管理すれ
ばよくなった。

【００１６】

【発明の効果】以上説明したように本発明の画素シフト
カメラは、安定した強い与圧を積層圧電素子に与えられ
る構造にできたため、負荷の重量や抵抗力の影響を受け
難くなったことにより、赤外線カットフィルタなどでＣ
ＣＤを密封することでゴミ対策ができただけでなく、丈
夫な支柱によるアオリ対策が可能となり、その強いアオ
リ対策のお陰で、圧電アクチュエータをＣＣＤの背後に
配置することが可能となり、大幅なスリム化が実現でき
た。さらに、部品点数が減った。

【図面の簡単な説明】

【図１】画素シフトカメラの構成を示した平面図であ
る。

【図２】画素シフトカメラの構成の一部を示した斜視図
である。

【図３】従来の画素シフトカメラの構成の一部を示した
平面図である。

【符号の説明】

１ ＣＣＤ２次元イメージセンサー ２ ＣＣＤベース ３ フィルターハウジング ４ 赤外線カットフィルター ５ Ｃトメワ ６ センターポスト ７ サイドピラー ８ Ｙ軸用の圧電アクチュエータ ９ Ｘ軸用の圧電アクチュエータ １０ Ｏリング １１ ハウジングベース １２ フロントエンド １３ ハウジングピラー １４ インナーベース １５ ＣＣＤ回路基板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レンズ系を介して被写体からの反射散乱
   光をＣＣＤ２次元イメージセンサに受光するとともに、
   前記ＣＣＤ２次元イメージセンサを受光面に平行な２次
   元方向にＣＣＤ取り付け部材ごと微小移動させて複数の
   画像を撮りこれらの画像を合成して最終画像を得る画素
   シフトカメラにおいて、前記微小移動を行なうために、
   発生力１０Ｋｇ以上の積層圧電素子と、前記積層圧電素
   子を鋏む洗濯バサミ状の構造体と、前記洗濯バサミ状の
   構造体に５Ｋｇ以上の鋏み力を与えるばねと、前記洗濯
   バサミ状の構造体の後方先端部と前記ＣＣＤ取り付け部
   材とを連結する連結部材とから成り、前記洗濯バサミ状
   の構造体の後方のもう一方の先端部はカメラ本体に固定
   できるように成形されるとともに前記連結部材は連結軸
   方向には剛性が強くそれ以外の方向には弾性を持つよう
   な形状となっている圧電アクチュエータを少なくとも２
   セット備え、前記ＣＣＤ取り付け部材はカメラ本体に弾
   性体を介して固定されていることを特徴とする画素シフ
   トカメラ。
2. 【請求項２】 前記圧電アクチュエータは前記ＣＣＤ取
   り付け部材の背後に配置されていることを特徴とする請
   求項１記載の画素シフトカメラ。