JP2005020718A - Multifocal imaging device and mobile device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、薄型の多焦点撮像デバイス及びモバイル機器に関する。 The present invention relates to a thin multifocal imaging device and a mobile device.
デジタルカメラの小型化高精細化は留まるところを知らず、最近は、カメラとしての形態と、カメラ付き携帯電話(モバイル)との棲み分けが問題になっている。
現在の棲み分けの境界は、100万画素程度であると言われているが、モバイル搭載カメラは、薄型化の要求から固定焦点に限られているのが実情であった。
本発明は、携帯電話(モバイル)に搭載可能な薄型の多焦点撮像デバイスを得ることを目的とする。
The current boundary of segregation is said to be about 1 million pixels, but in reality, mobile-equipped cameras are limited to a fixed focus because of the demand for thinning.
An object of the present invention is to obtain a thin multifocal imaging device that can be mounted on a mobile phone (mobile).
本発明による多焦点撮像デバイスは、同一平面上に配置されたイメージセンサー上に異なる複数の結像エリアを設定し、該複数の結像エリアにそれぞれ、結像倍率の異なる像を結像させる複数の結像光学系を設けたことを特徴としている。 A multifocal imaging device according to the present invention sets a plurality of different imaging areas on an image sensor arranged on the same plane, and forms a plurality of images with different imaging magnifications on the plurality of imaging areas, respectively. The image forming optical system is provided.
複数の結像エリアは、単一のイメージセンサー上に形成されることが好ましい。 The plurality of imaging areas are preferably formed on a single image sensor.
複数の異なる像を結像させる各結像光学系による結像エリアは、互いに重複させることなく分離させることも、一部を重複させて共用することも可能である。 The imaging areas formed by the imaging optical systems that form a plurality of different images can be separated without overlapping each other, or can be partially overlapped and shared.
複数の結像エリアのいずれかひとつを機械的に選択するために、選択されたエリア以外の光路を遮蔽する手段を設けることが好ましい。 In order to mechanically select any one of the plurality of imaging areas, it is preferable to provide means for shielding an optical path other than the selected area.
本発明の多焦点撮像デバイスは、各結像光学系のいずれかの光学素子を、該光学素子が属する結像光学系とは別の結像光学系の光学素子とモジュール化することができる。 In the multifocal imaging device of the present invention, any optical element of each imaging optical system can be modularized with an optical element of an imaging optical system different from the imaging optical system to which the optical element belongs.
具体的には、例えば、複数の結像光学系の最も物体側には、物体側の面が各光学系に共通の平面で、像側の面が各光学系に固有のレンズ面が構成された外面平面共通光学要素を配置することが好ましい。 Specifically, for example, on the most object side of a plurality of imaging optical systems, the object side surface is a plane common to each optical system, and the image side surface is a lens surface unique to each optical system. It is preferable to arrange the outer plane common optical element.
この外面平面共通光学要素の物体側の平面の一部は、複数の結像光学系の光路として重複させることが可能であり、重複させることで平面的な大きさを縮小できる。 A part of the object-side plane of the outer-plane common optical element can be overlapped as an optical path of a plurality of imaging optical systems, and the planar size can be reduced by overlapping.
また、この外面平面共通光学要素とイメージセンサーとの間にはさらに、各結像光学系に固有のレンズ要素を有するモジュール化された中間光学要素ブロックを配設することで、構成を単純化し、組立性を高めることができる。 In addition, by arranging a modularized intermediate optical element block having a lens element unique to each imaging optical system between the outer plane common optical element and the image sensor, the configuration is simplified. Assemblability can be improved.
また、本発明の多焦点撮像デバイスでは、別の態様によると、複数の結像光学系を、物体側に位置する、各結像光学系用の光学要素を一体化した第一レンズモジュールと、この第一レンズモジュールとイメージセンサーとの間に位置する、各結像光学系用のレンズ要素を一体化した第二レンズモジュール(中間光学要素ブロック)と、複数の結像光学系用の複数の結像エリアを有する単一の上記イメージセンサーとによって構成することができる。 In the multifocal imaging device of the present invention, according to another aspect, a plurality of imaging optical systems, a first lens module integrated with optical elements for each imaging optical system located on the object side, A second lens module (intermediate optical element block), which is integrated between the lens elements for each imaging optical system, located between the first lens module and the image sensor, and a plurality of imaging optical systems. A single image sensor having an imaging area can be used.
また複数の結像光学系中のレンズ要素を共通化してコストダウンを図るため、各結像光学系には、光軸方向の相対的な位置だけが異なる共通のレンズ要素を少なくとも1つ設けて、撮影距離や焦点距離を変えることができる。 In order to reduce the cost by making the lens elements in a plurality of imaging optical systems common, each imaging optical system is provided with at least one common lens element that differs only in the relative position in the optical axis direction. The shooting distance and focal length can be changed.
複数の結像光学系は、撮影距離(焦点位置あるいは結像倍率)を異ならせることができるが、少なくとも1つの光学系の焦点距離を他の光学系の焦点距離と異ならせるのが実際的である。 The plurality of imaging optical systems can vary the shooting distance (focal position or imaging magnification), but it is practical to make the focal distance of at least one optical system different from the focal distance of other optical systems. is there.
複数の結像光学系には、例えば望遠、標準、広角に相当する焦点距離を与えることができる。具体的には、最も焦点距離が長い光学系の焦点距離は、最も焦点距離が短い光学系の焦点距離の1.5倍以上とするのがよい。 For example, focal lengths corresponding to telephoto, standard, and wide-angle can be given to the plurality of imaging optical systems. Specifically, the focal length of the optical system with the longest focal length is preferably 1.5 times or more the focal length of the optical system with the shortest focal length.
また、複数の結像光学系中には、マクロに相当する焦点距離を与えることができる。具体的には、その焦点距離の200倍以下の距離にある物点に対して合焦する結合光学系とすることが好ましい。 In addition, a focal length corresponding to a macro can be given to a plurality of imaging optical systems. Specifically, a coupling optical system that focuses on an object point at a distance of 200 times or less of the focal length is preferable.
複数の結像エリアの前には、イメージセンサーの性質に応じ、全ての結像エリア用の単一の赤外カットフィルター、あるいは単一の光学ローパスフィルターを配置することが好ましい。 In front of the plurality of imaging areas, it is preferable to arrange a single infrared cut filter or a single optical low-pass filter for all the imaging areas in accordance with the properties of the image sensor.
本発明の多焦点撮像デバイスは、携帯電話を初めとするモバイル機器に搭載して有用である。 The multifocal imaging device of the present invention is useful when mounted on a mobile device such as a mobile phone.
本発明によれば、超薄型で携帯電話等のモバイルに搭載可能な多焦点撮像デバイスを得ることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the multi-focal imaging device which can be mounted in mobiles, such as a mobile phone, is ultra-thin.
図1、図2は、本発明による多焦点カラー撮像デバイスを携帯電話10に搭載した概念図である。携帯電話10には、その一面に撮像窓11が形成され、他面に表示手段としてのLCDパネル12が設けられている。
1 and 2 are conceptual diagrams in which a multifocal color imaging device according to the present invention is mounted on a
撮像窓11(携帯電話10)内には、平面的に分布する4個の結像エリア(画像形成エリア)を有する多焦点撮像デバイス20が位置している。図3ないし図7に示す多焦点撮像デバイス20は、物体側から順に、外面平面共通光学要素21、異なる光軸上に位置する4個の異なる光学要素22A、22B、22C及び22D、共通の赤外カットフィルタ23、及び単一のカラーイメージセンサー(カラーCCD、固体撮像素子)24が位置している。
A
外面平面共通光学要素21は、物体側の面が平面21pをなす入射面からなり、像側の面が各結像光学系用のレンズ面21A、21B、21C及び21Dをなしており、これらレンズ面21Aないし21Dは、光学要素22Aないし22D(各結像光学系用のレンズ要素)と協働して、焦点距離(結像倍率)の異なる4個の結像光学系A、B、C、Dを構成している。赤外カットフィルタ23は、4個の結像光学系AないしDをカバーする単一の平行平面板である。赤外カットフィルタ23に代えて、4個の結像光学系AないしDをカバーする単一の光学ローパスフィルターを設置することもできる。4個の結像光学系の間には各光路を分離する光路分離素子としての光路分離壁28が設置されている。
The outer-plane common
4個の結像光学系AないしDによる像は、単一のイメージセンサー24上の異なるエリアに結像する。この実施形態では、イメージセンサー24の矩形の結像エリアを2×2に4分割している。イメージセンサー24のサイズと画素数を、1/4” (対角線長)と1280×1024(≒1.3M)とすると、一つの結像エリアのサイズと画素数は、例えば、1/8”と640×512(≒0.3M)とすることができる。
Images by the four imaging optical systems A to D are formed in different areas on the
結像光学系Aは、外面平面共通光学要素21の像側の面21Aを凹面、光学要素22Aを正レンズの構成とし、広角焦点距離の結像光学系を構成し、遠距離物体(結像光学系Aの焦点距離の1000倍程度の物体)に対して合焦させた状態で固定している。
The imaging optical system A has a wide-angle focal length imaging optical system in which the image-
結像光学系Bは、結像光学系Aのマクロ状態を構成するマクロ撮影光学系である。外面平面共通光学要素21の像側の面21Bと光学要素22Bはそれぞれ、結像光学系Aの面21Aと光学要素22Aと同一であるが、光学要素(正レンズ)22Bを光学要素22Aより物体寄りに設置することによって、マクロ域物体(近接物体、結像光学系Bの焦点距離の200倍以下の物体)に対して合焦する光学系を構成している。
The imaging optical system B is a macro imaging optical system that constitutes the macro state of the imaging optical system A. The image-
結像光学系Dは、望遠焦点距離の結像光学系であり、外面平面共通光学要素21の像側の面21Dを凸面、光学要素22Dを正レンズで構成することにより、全長を長くすることなく結像光学系Aの約3倍の焦点距離の結像光学系を構成している。
The imaging optical system D is an imaging optical system having a telephoto focal length, and the overall length is increased by forming the image-side surface 21D of the outer-plane common
結像光学系Cは、結像光学系Aと結像光学系Dの中間の焦点距離を有する結像光学系で、外面平面共通光学要素21のレンズ面21Cと光学要素22Cは、結像光学系Aのレンズ面21Aと光学要素22Aと同じであるが、光学要素(正レンズ)22Cを光学要素(正レンズ)22Aより物体寄りに位置する固有の光学要素として全系として結像光学系Aの約2倍の焦点距離の結像光学系を構成している。
The image forming optical system C is an image forming optical system having an intermediate focal length between the image forming optical system A and the image forming optical system D. The
イメージセンサー24は、図8に示すように、演算処理装置(CPU)30に接続されており、レリーズスイッチ32を押すと、イメージセンサー24上の4つの結像エリアの画像信号、つまりAないしDを介して結像した異なる焦点距離の画像信号が演算処理装置30内に取り込まれる。選択手段33は、予めまたは撮像後に、4つの画像信号から一つを選択し、LCDパネル(表示手段)12に表示する。演算処理装置30には、記憶手段34が備えられており、選択した画像を記憶する。
As shown in FIG. 8, the
すなわち、各結像光学系A〜Dの画像は、イメージセンサー24の独立した領域に画像を作るので、同時に複数の画像を得ることが可能である。勿論、光路を機械的に選択したり、画像処理等によりソフト的に選択することで、単一の結像光学系のみの画像を得ることも可能である。
That is, since the images of the imaging optical systems A to D are formed in independent regions of the
外面平面共通光学要素21の物体側の面が平面21pとなっており、図4ないし図7に示すように、複数の結像光学系AないしDの光路はレンズ面の一部を共有して使用している。
The object-side surface of the outer plane common
1つの光軸上を各レンズ群が相対移動することによって焦点距離を変更する通常のズームレンズカメラも、近年のように電気制御でズーミングさせる場合には複数の不連続な焦点距離ステップを有するのが普通であるから、この実施形態の撮像デバイスは、3ステップ(4ステップ)の焦点距離を有するズームレンズカメラとみることができ、より多数の結像光学系を備えれば、さらに上記通常のズームレンズカメラに近づく。勿論、記憶された画像信号は、送信することができるが、本発明はこれら送信手段を問わない。 An ordinary zoom lens camera that changes the focal length by relatively moving each lens group on one optical axis also has a plurality of discontinuous focal length steps when zooming by electric control as in recent years. Therefore, the imaging device of this embodiment can be regarded as a zoom lens camera having a focal length of 3 steps (4 steps). Close to the zoom lens camera. Of course, the stored image signal can be transmitted, but the present invention is not limited to these transmission means.
図9ないし図11の実施形態は、各結像光学系A〜Dの光学要素22A、22B、22C、22Dを単一のモジュール(中間光学要素ブロック、合成樹脂材料の成形体)から構成した例である。すなわち、外面平面共通光学要素21を第1レンズモジュールとし、光学要素(レンズ)22A、22B、22C、22Dを第2レンズモジュール22上に形成している。図3ないし図7で示した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付している。このようにモジュール化すると、組立、調整が簡単になり、小型薄型の多焦点撮像デバイスを容易に得ることができる。
9 to 11 are examples in which the
次に、図12、図13は、イメージセンサー24を2分割で使用する実施形態、すなわち、2つの結像光学系A、Bを構成する例を示している。縦横比4:3のイメージセンサー24は、図12に示すように、画素を無駄なく使うべく中央部で2分割されている。結像光学系A、Bに共通の赤外カットフィルタ23、及び単一のカラーイメージセンサー(カラーCCD)24は、上述の実施形態と同一の要素である。結像光学系A、Bは、第1レンズモジュール(外面平面共通光学要素)25、第2レンズモジュール(中間光学要素ブロック、合成樹脂材料の成形体)26、及び第3レンズモジュール(中間光学要素ブロック、合成樹脂材料の成形体)27によって構成されており、第1レンズモジュール25の第1面は平面25pからなっている。
Next, FIGS. 12 and 13 show an embodiment in which the
第1レンズモジュール25の第2面のレンズ面25A、25Bは同一であり、第2レンズモジュール26の第1レンズ26Aと第2レンズ26Bは、光軸方向位置を異ならせた同一レンズ形状をなし、第3レンズモジュール27の第1レンズ27Aと第2レンズ27Bは同一である。そして、図の下段の結像光学系Bの第2レンズ26Bは上段の結像光学系Aの第2レンズ26Aより物体側に位置していて、上段は遠距離物体に合焦する撮影光学系、下段は近距離物体(マクロ)に合焦する撮影光学系を構成している。第1レンズモジュール25と第2レンズモジュール26の間、赤外カットフィルタ23の前方、及び赤外カットフィルタ23とイメージセンサー24の間にはそれぞれ、光路分離壁28a、28b、28cが配置されていて、結像光学系A、Bによる画像が同一のイメージセンサー24上に分離させて(互いに重複することなく)形成される。
The lens surfaces 25A and 25B of the second surface of the
この多焦点撮像デバイスでは、使用時にいずれかの画像を選択することも可能であるし、また、同時に遠距離、近距離の画像を処理することにより、コントラストの高いほうの画像をソフト的に判別して自動記録することも可能である。また、フォーカシング機構を機械的に持たなくてすむので、光軸方向に非常に薄い空間に、広い距離範囲の物体を高いコントラストで撮影可能な光学系を収納することが可能となる。 With this multifocal imaging device, it is possible to select one of the images at the time of use, and the image with the higher contrast is discriminated softly by simultaneously processing the images at long and short distances. It is also possible to record automatically. In addition, since it is not necessary to mechanically have a focusing mechanism, it is possible to store an optical system capable of photographing an object in a wide distance range with high contrast in a very thin space in the optical axis direction.
図14は、図12、図13の実施形態の変形例で、第1レンズモジュール(外面平面共通光学要素)25、第2レンズモジュール26、及び第3レンズモジュール27に構成するレンズ面形状の別の例である。図13の実施形態と同様に、第1レンズモジュール25のレンズ面25A、25Bは同一であり、第2レンズモジュール26の第1レンズ26Aと第2レンズ26Bは、光軸方向位置を異ならせた同一レンズ形状をなし、第3レンズモジュール27の第1レンズ27Aと第2レンズ27Bは同一である。図の下段の結像光学系Bの第2レンズ26Bは上段の結像光学系Aの第2レンズ26Aより物体側に位置していて、上段は短い焦点距離(広い画角)、下段は長い焦点距離(狭い画角=高い倍率)の撮影光学系を構成している。
FIG. 14 is a modification of the embodiment of FIGS. 12 and 13, and shows different lens surface shapes that are configured in the first lens module (outer plane common optical element) 25, the
この実施形態においても、前述の遠距離、近距離用光学系と同様に、各レンズを全く移動させることなく、広い画角と狭い画角(高い倍率)の撮影が可能である。レンズを移動させてズームや焦点距離切替えを行う従来の撮影光学系と比較し、移動機構が必要ないため、光学系を狭い空間に効率良く収納することが可能である。また、耐衝撃性に優れ、コスト的にも有利である。 Also in this embodiment, similarly to the above-described long-distance and short-distance optical systems, it is possible to shoot with a wide field angle and a narrow field angle (high magnification) without moving each lens at all. Compared to a conventional photographing optical system that moves a lens and performs zooming and focal length switching, a moving mechanism is not required, so that the optical system can be efficiently stored in a narrow space. Moreover, it is excellent in impact resistance and is advantageous in terms of cost.
図15、図16は、イメージセンサー24に、広角側と望遠側の結像領域に重複部分ABを設けることにより分割前後で撮像画面の縦横比を維持しつつ、全撮像素子を有効に利用する実施形態を示している。この実施形態では、広角焦点距離および望遠焦点距離の二つの結像光学系A、Bが、同様に、第1レンズモジュール(外面平面共通光学要素)25、第2レンズモジュール26、及び第3レンズモジュール27によって構成されていて、第1レンズモジュール25の2つのレンズ面25Aと25B、及び第3レンズモジュール27の2つのレンズ面27Aと27Bはそれぞれ同一である。一方、第2レンズモジュール26の2つのレンズ26A、26Bはそれぞれ広角用、望遠用の固有のレンズにより構成されている。
15 and 16, the
この実施形態では、イメージセンサー24上で画像の重複部分があるため、選択した結像光学系以外の光路を遮蔽するような光路選択手段(光路を遮蔽する手段)29を第2レンズモジュール26と第3レンズモジュール27の間に設けている。
In this embodiment, since there is an overlapping portion of the image on the
図17は、イメージセンサー24に設定する2つの結像エリアを重複させることなく、各結像エリアの縦横比を、元のイメージセンサー24の縦横比を維持して分割した例である。
FIG. 17 shows an example in which the two image forming areas set in the
イメージセンサー24は、単一の基板であることが好ましいが、一平面状(上)に配置されている限り、複数枚に分割されていてもよい。
The
A B C D 結像光学系
10 携帯電話
11 撮像窓
12 LCDパネル(表示手段)
20 多焦点撮像デバイス
21 25 外面平面共通光学要素(第1レンズモジュール)
21p 平面
22A 22B 22C 22D 光学要素(レンズ要素、レンズ面)
22 第2レンズモジュール(中間光学要素ブロック)
23 赤外カットフィルタ
24 イメージセンサー
26 27 レンズモジュール(中間光学要素ブロック)
28 28a 28b 28c 光路分離壁(光路分離素子)
29 光路選択手段(光路を遮蔽する手段)
30 演算処理装置
32 レリーズスイッチ
33 選択手段
34 記憶手段
ABCD Imaging
20
22 Second lens module (intermediate optical element block)
23 Infrared cut
28
29 Optical path selection means (means to block the optical path)
30
Claims (18)
A mobile device comprising the multifocal imaging device according to claim 1.
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