JP2005223897A - 撮像装置および撮像機能を備えた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成で汎用性か高く、かつ合焦した画像を得る。
【解決手段】 デジタルスチルカメラ１０内に、撮影光学系１２、ＣＣＤ１４、合焦判別部２０、領域抽出部２２を設ける。そして、ＣＣＤ１４を、光軸Ｅに垂直な方向に対して所定の角度傾けて配置する。合焦判別部２０は、ＣＣＤ１４から読み出された画像信号に基づき、合焦している画像領域を検出する。そして、その画像領域に応じた画像データを合焦画像としてＬＣＤ２８に表示し、メモリカード３２に記録する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、ＴＶ会議用カメラや、撮影機能付き携帯電話等の撮像機能を備えた電子機器に関し、特に、撮像装置の焦点調整に関する。

従来の撮像装置では、焦点調節の方法として、パンフォーカスやオートフォーカス／マニュアルフォーカスが知られている。パンフォーカスの場合、焦点距離の短いレンズを使用し、絞りを小さくすることにより、画面全体における手前の被写体から遠くの被写体まで焦点が合う。一方、オートフォーカス／マニュアルフォーカスの場合、焦点調整用のレンズが撮影光学系に組み込まれており、レンズを光軸に沿って移動させることで焦点調整が行われる。また、広範囲な被写体すべてにピントを合わせて撮影する場合、アオリ撮影が利用される（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−９４８４１号公報（図２）

パンフォーカスの場合、焦点距離が短くなるとともに、絞りを小さく設定しなければならならない。一方、オートフォーカス／マニュアルフォーカスの場合、焦点調整機構を撮影光学系に設ける必要があり、カメラ等の電子機器の構造が複雑になり、コストが掛かるとともに、カメラ付携帯電話など軽薄短小な小型電子機器に組み込むことが難しい。

そこで本発明では、簡易な構成で汎用性か高く、かつ合焦した画像を得ることが可能な撮像装置、撮像方法、およびデジタルカメラ等の撮像機能付き電子機器を提供することを目的とする。

本発明に係る撮像機能付き電子機器は、例えば、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、ＴＶ会議用ビデオカメラ、電子内視鏡、カメラ付携帯電話等の様々な撮像機能付き電子機器に適用可能である。電子機器は、被写体像を形成する撮影光学系と、被写体像が形成される受光面を有し、被写体像に応じた画像信号を発生させる撮像素子とを備えており、受光面は、撮影光学系の光軸垂直方向に対し相対的に所定角度で傾斜している。撮像素子を光軸に対して傾斜させてもよく、あるいは、プリズムなどを撮影光学系と撮像素子との間に設け、光路を撮像素子に対して傾斜させてもよい。撮像素子は、撮影中に任意の角度に傾斜できるように可変であってもよいが、あらかじめ撮影距離範囲を定めて撮影すれば合焦画像を得ることが出来ることから、撮影中は撮像素子を固定させるように構成してもよい。

撮像素子は撮影光学系の光軸に対し垂直な面に平行でないため、受光面上に１つの被写体像が全体的に合焦することはなく、各領域において合焦する被写体像（被写体の位置）が異なる。受光面では、撮影光学系からの光軸に沿った距離が近い一方の端部（第１端部）側が、無限遠あるいは所定の遠距離にある被写体に対する結像点に対応し、撮影光学系からの光軸に沿った距離が遠い他方の端部（第２端部）側が、撮影可能な最近点の位置にある被写体に対する結像点に対応する。本発明の撮像機能付き電子機器は、撮像素子から読み出される画像信号に基づき、被写体像の中で実質的に合焦している画像を合焦画像データとして抽出する抽出手段と、合焦画像データをメモリに記録する記録手段と、合焦画像データに従って、合焦画像を表示する表示手段とを備える。例えば、メモリに合焦画像データが記憶され、記録装置等に記憶可能となる。このように合焦画像データを抽出することにより、特別な焦点調整機構を用いることなく、合焦画像がＬＣＤなどに表示され、あるいはメモリカードなどに記録される。抽出手段により得られた合焦画像データは、一時的に専用メモリに格納してもよい。

合焦画像を抽出する方法としては、自動的に合焦領域を検出するのがよい。例えば、抽出手段が、被写体像の中で合焦している領域を検出する合焦判別手段を有するのが望ましい。例えば、コントラスト方式により合焦領域を検出する。

あるいは、あらかじめ抽出領域を定め、撮影者の操作によって合焦画像を得るようにしてもよい。この場合、抽出手段は、遠距離にある被写体を結像させる第１の領域と、近距離にある被写体を結像させる第２の領域とを規定し、第１および第２の領域に結像される被写体像のいずれかを合焦画像データとして選択的に（例えばスイッチ操作などによって）抽出するようにしてもよい。例えば抽出手段は、受光面における一方の端部側に位置し、無限遠を含む遠距離にある被写体を結像させる領域であって、光軸に沿って撮影光学系から相対的に近い無限遠側被写体領域と、受光面における他方の端部側に位置し、最近点を含む近距離にある被写体を結像させる領域であって、光軸に沿って撮影光学系から相対的に遠い最近点側被写体領域と、無限遠側被写体領域と最近点側被写体領域との間の中間にある被写体を結像させる領域である中間被写体領域とを規定し、いずれかの領域に結像される被写体像を合焦画像データとして選択的に抽出する。

本発明の撮像装置は、被写体像を形成する撮影光学系と、被写体像が形成される受光面を有し、被写体像に応じた画像信号を発生させるとともに、受光面が撮影光学系の光軸垂直方向に対し相対的に所定角度で傾斜する撮像素子と、撮像素子から読み出される画像信号に基づき、被写体像の中で実質的に合焦している合焦画像を合焦画像データとして抽出する抽出手段とを備えたことを特徴とする。

本発明の撮像方法は、撮影光学系を介して被写体像を撮像素子の受光面に形成させ、受光面が光軸垂直方向に対し相対的に所定角度で傾斜するように、撮像素子を位置決めし、撮像素子から読み出される画像信号に基づき、被写体像の中で実質的に合焦している合焦画像を合焦画像データとして抽出することを特徴とする。

本発明の撮像装置は、被写体像を形成する撮影光学系と、被写体像が形成される受光面を有し、被写体像に応じた画像信号を発生させるとともに、受光面が、撮影光学系の光軸垂直方向に対し相対的に所定角度で固定された状態で傾斜する撮像素子とを備え、受光面の一方の端部が無限遠あるいは所定の遠距離にある被写体の像点に対応し、他方の端部が撮影可能となる最近点にある被写体の像点に対応するように、撮像素子が傾斜していることを特徴とする。ただし、錯乱円をここでは考慮していない。このような条件のもとに傾斜させることで、被写体距離が広範囲であっても、いずれかの距離にある被写体を合焦画像データとして抽出することができる。例えば、一方の端部が無限遠である場合、撮像素子は少なくとも以下の角度傾斜している。

θ₁ ＝ｓｉｎ^-1（Δｆ／ｈ_c）
＝ｓｉｎ^-1（（１／ｈ_c） × ｆ²／（Ｌ_min−ｆ））

ただし、ｆは、焦点距離、Δｆ＝ｆ²／（Ｌ_min−ｆ）、ｈ_cは、受光面の有効長、Ｌ_minは最近点から撮影光学系の主点までの距離を示す。一方、一方の端部が撮影可能な範囲で実質的に最も遠い距離にある点にある被写体の結像点に対応する場合、撮像素子は少なくとも以下の角度傾斜している。

θ₁’＝ｓｉｎ^-1（（１／ｈ_c）×ｆ²（１／（Ｌ_min−ｆ）−１／（Ｌ_max−ｆ）））

ただし、Ｌ_maxは、所定の遠距離にある点（ここでは、所定遠距離点という）までの被写体距離を示す。

本発明の撮像装置は、被写体像を形成する撮影光学系と、被写体像が形成される受光面を有し、被写体像に応じた画像信号を発生させるとともに、受光面が、撮影光学系の光軸垂直方向に対し相対的に所定角度で固定された状態で傾斜する撮像素子とを備え、受光面において撮影光学系から相対的に遠い一方の端に、遠距離あるいは無限遠距離にある被写体を合焦させるための第１の画像領域と、撮影光学系から相対的に近い他方の端に近距離にある被写体を合焦させるための第２の画像領域とを規定し、第１の画像領域の中心が無限遠あるいは所定の遠距離にある被写体の像点に対応し、第２の画像領域の中心が撮影可能となる最近点にある被写体の像点に対応するように、撮像素子が傾斜していることを特徴とする。例えば、第１の画像領域が、無限遠距離にある被写体を合焦させるための領域であり、第１の画像領域の中心が無限遠にある被写体の結像点に対応する場合、撮像素子が少なくとも以下の角度傾斜している。

θ₂＝ｓｉｎ^-1（Δｆ／ｈ_c−ｈ_p）
＝ｓｉｎ^-1（（１／（ｈ_c−ｈ_p）） × ｆ²／（Ｌ_min−ｆ））

ただし、ｆは、焦点距離、Δｆ＝ｆ²／（Ｌ_min−ｆ）、ｈ_cは、受光面の有効長、ｈ_pは、第１および第２の画像領域の長さ、Ｌ_minは、最近点から撮影光学系の主点までの距離を示す。一方、第１の画像領域が、遠距離にある被写体を合焦させるための領域であり、第１の画像領域の中心が所定の遠距離にある被写体の結像点に対応する場合、撮像素子は少なくとも以下の角度傾斜する。

θ₂’＝ｓｉｎ^-1（（１／（ｈ_c−ｈ_p））
×ｆ²（１／（Ｌ_min−ｆ）−１／（Ｌ_max−ｆ）））

ただし、Ｌ_maxは、所定の遠距離にある所定遠距離点までの被写体距離を示す。

本発明の撮像装置は、被写体像を形成する撮影光学系と、被写体像が形成される受光面を有し、被写体像に応じた画像信号を発生させるとともに、受光面が、撮影光学系の光軸垂直方向に対し相対的に所定角度で固定された状態で傾斜する撮像素子とを備え、受光面の一方の端部が無限遠あるいは所定の遠距離にある被写体の像点に対応し、他方の端部が撮影可能となる最近点にある被写体の像点に対応し、一方の端部における錯乱円が許容錯乱円以下になるように、撮像素子が傾斜していることを特徴とする。例えば、受光面の一方の端部が無限遠にある被写体の結像点に対応する場合、撮像素子が少なくとも以下の角度傾斜している。

θ₃＝ｓｉｎ^-1（（Δｆ／２−ｄ₁ｆ／Ｄ）（２ｆ＋Δｆ）／（（ｈ_c−ｄ₁）（ｆ＋Δｆ）））

ただし、ｆは、焦点距離、Δｆ＝ｆ²／（Ｌ_min−ｆ）、ｈ_cは、受光面の有効長、Ｄは、撮影光学系の有効長、ｄ₁は、許容錯乱円の径Ｌ_minは、最近点から撮影光学系の主点までの距離を示す。一方、受光面の一方の端部が所定の遠距離にある被写体の結像点に対応する場合、撮像素子は少なくとも以下の角度傾斜する。

θ₃’＝ｓｉｎ^-1（（（Δｆ―Δｆ₂）／２−ｄ₁（ｆ＋Δｆ）／Ｄ）（２ｆ＋Δｆ＋Δｆ₂）／（（ｈ_c−ｄ₁）（ｆ＋Δｆ）））

ただし、Δｆ₂＝ｆ²／（Ｌ_max−ｆ）、Ｌ_maxは、所定の遠距離にある所定遠距離点までの被写体距離を示す。

本発明の撮像装置は、被写体像を形成する撮影光学系と、被写体像が形成される受光面を有し、被写体像に応じた画像信号を発生させるとともに、受光面が、撮影光学系の光軸垂直方向に対し相対的に所定角度で固定された状態で傾斜する撮像素子とを備え、受光面において撮影光学系から相対的に遠い一方の端に、遠距離あるいは無限遠距離にある被写体を合焦させるための第１の画像領域と、撮影光学系から相対的に近い他方の端に近距離にある被写体を合焦させるための第２の画像領域とを規定し、第１の画像領域の中心が無限遠あるいは所定の遠距離にある被写体の像点に対応し、第２の画像領域の中心が撮影可能となる最近点にある被写体の像点に対応し、第１の画像領域に対応する錯乱円が許容錯乱円以下になるように、撮像素子が傾斜していることを特徴とする。例えば、第１の画像領域が無限遠距離にある被写体を合焦させるための領域であり、第１の画像領域の中心が無限遠にある被写体の結像点に対応する場合、撮像素子が少なくとも以下の角度傾斜している。

θ₄＝ｓｉｎ^-1（（（Δｆ／２−ｄ₁ｆ／Ｄ）（２ｆ＋Δｆ））
÷（（ｈ_c−ｈ_p−ｄ₁）（ｆ＋Δｆ）））

ただし、ｆは、焦点距離、Δｆ＝ｆ²／（Ｌ_min−ｆ）、ｈ_cは、受光面の有効長、ｈ_pは、第１および第２の画像領域の長さ、Ｄは、撮影光学系の有効長、ｄ₁は、許容錯乱円の径、Ｌ_minは、最近点から撮影光学系の主点までの距離を示す。一方、第１の画像領域が、遠距離にある被写体を合焦させるための領域であり、第１の画像領域の中心が所定の遠距離にある被写体の結像点に対応する場合、撮像素子は少なくとも以下の角度傾斜している。
θ₄’
＝ｓｉｎ^-1（（（（Δｆ―Δｆ₂）／２−ｄ₁（ｆ＋Δｆ）／Ｄ）（２ｆ＋Δｆ＋Δｆ₂））÷（（ｈ_c−ｈ_p−ｄ₁）（ｆ＋Δｆ）））

ただし、Δｆ₂＝ｆ²／（Ｌ_max−ｆ）、Ｌ_maxは、所定の遠距離にある所定遠距離点までの被写体距離を示す。

本発明の撮像装置は、被写体像を形成する撮影光学系と、被写体像が形成される受光面を有し、被写体像に応じた画像信号を発生させるとともに、受光面が、撮影光学系の光軸垂直方向に対し相対的に所定角度で固定された状態で傾斜する撮像素子とを備え、受光面の一方の端部が無限遠あるいは所定の遠距離にある被写体の結像点に対応し、他方の端部が撮影可能となる最近点にある被写体の結像点に対応し、両端の錯乱円の径が同一であって、ともに許容錯乱円以下になるように、撮像素子が配置されることを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構成で汎用性が高く、かつ合焦した画像を得ることができる。

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、第１の実施形態であるデジタルスチルカメラのブロック図である。

デジタルスチルカメラ１０は、撮影光学系１２、ＣＣＤ１４とを備えており、ＣＰＵ２７はカメラ全体を制御する。カメラ１０の鏡筒１３内に設けられた撮影光学系１２は、フォーカシングレンズのない単焦点レンズとして構成されており、ＣＣＤ１４の受光面１４Ａに被写体像を形成する。ここでは、撮影光学系１２の倍率は通常使用される標準的な値（例えば１／１０以下）に定められている。ＣＣＤ１４は、撮影光学系１２の光軸Ｅに直角な方向Ｌに対し所定角度αだけ傾斜した状態で配置され、受光面１４Ａの中心１４Ｗは光軸Ｅを通る。ただし、角度αは微小角度である。受光面１４Ａの上部については、撮影光学系１２の主点Ｃを通り、光軸Ｅに垂直な面からの距離が焦点距離ｆ０よりも短く、一方、受光面１４Ａの下部については、撮影光学系１２の主点Ｃを通り、光軸Ｅに垂直な面からの距離が焦点距離ｆ０よりも長い。したがって、被写体距離Ｄに対して相対的にカメラ１０に遠い被写体、あるいは相対的に近い被写体も通常合焦可能である。ここでは被写体として、カメラ１０の近距離にある矢印Ｙ２と、遠距離にある矢印Ｙ１とを定める。被写体Ｙ１、Ｙ２は、光軸Ｅからそれぞれ下側、上側へ延びる位置にあり、被写体Ｙ１、Ｙ２の端部が光軸Ｅ上に位置するように構図が採られている。

撮影光学系１２によって被写体像が受光面１４Ａに形成されると、光電変換により被写体像に応じた画像信号が発生し、１フレーム分の画像信号は所定時間間隔で順次読み出される。初期処理部１５では、読み出された画像信号に対し、増幅処理、色処理などが施され、Ａ／Ｄ変換器１６では、アナログの画像信号がデジタル画像信号に変換される。デジタル画像信号は、第１メモリ１８に格納されると、合焦判別部２０および領域抽出部２２へ送られる。

合焦判別部２０では、送られてきた画像信号に基づき、撮影された被写体像全体の中で合焦している画像領域（以下では、合焦画像領域という）が検出される。そして、領域抽出部２２では、合焦判別部２０で検出された合焦画像領域に基づき、合焦画像領域に応じた画像データ（以下では、合焦画像データという）が第２メモリ２４へ格納される。合焦画像データは、第２メモリ２４からＬＣＤドライバ２６へ送られ、ＬＣＤドライバ２６は送られてきた合焦画像データに基づいてＬＣＤを駆動する。これにより、ＣＣＤ１４に形成された被写体像の中の合焦画像領域に応じた画像（以下では、合焦画像という）が、ＬＣＤ２８全体に表示される。

一方、カメラ１０のレリーズボタン２９が押下されると、図示しないシャッタなどの撮影機構が作動し、１フレーム分の画像信号がＣＣＤ１４から読み出される。画像信号は、初期処理部１５、Ａ／Ｄ変換器１６において処理され、第１メモリ１８に格納される。第１メモリ１８から１フレーム分の画像信号が合焦判別部２０、領域抽出部２２に送られると、合焦画像データが第２メモリ２４へ送られる。そして、圧縮処理部３０では、合焦画像データに対して圧縮処理が施され、圧縮データがカメラ１０に着脱自在なメモリカード３２に記録される。

図２〜図６を用いて、本実施形態における撮影操作について説明する。図２（Ａ）、図２（Ｂ）は、受光面１４に形成される被写体像を示した図である。

遠距離にある被写体Ｙ１は、光軸Ｅより下方にあるため、受光面１４Ａ上の被写体像ＩＹ１は、光軸Ｅよりも上に形成される。一方、近距離にある被写体Ｙ２は、光軸より上方にあるため、受光面１４Ａ上の被写体像ＩＹ２は、光軸Ｅよりも下に形成される。受光面１４Ａでは、撮影光学系１２に近い端部１４Ｘ（以下では、第１端部という）から他方の端部１４Ｙ（以下では、第２端部という）に向かって、合焦する被写体象の撮影距離が変化する。すなわち、第１端部１４Ｘに近いほど、遠距離、あるいは無限遠にある被写体の像が合焦し、第２端部１４Ｙに近いほど、近距離、特に撮影可能な最も近い位置（以下、最近点という）にある被写体の像が合焦する。

被写体Ｙ１、Ｙ２が受光面１４Ａ上において結像しない場合、表示／記録される被写体像ＩＹ１、ＩＹ２は、合焦していない、ボケた画像となる。図２（Ａ）は、ＣＣＤ１４の受光面１４Ａに形成されるとともに第１メモリ１８に格納される像ＡＡ（以下では、全体被写体像という）を示している。

一方、被写体Ｙ２が相対的にさらに遠い距離に位置している場合（図１では符号“Ｙ’２”で表す）、被写体像ＩＹ’２は、合焦した画像となる（図２（Ｂ）参照）。なお、ＣＣＤ１４が傾斜しているのに対して被写体Ｙ’２は光軸Ｅに垂直であるが、傾斜角度αが微小であって撮影光学系１２の像倍率が標準的倍率であることから、実質的に被写体像ＩＹ’２の全体が合焦する。本実施形態では、撮影したい画像を合焦画像として抽出するため、撮影者がカメラ１０の撮影方向、すなわち撮影光学系１２の光軸Ｅ方向を調整するようにカメラ１０を傾斜させる。

図３は、遠距離の被写体に焦点を合わせた時の光路図であり、図４（Ａ）は、撮影により得られる全体被写体像を示した図であり、図４（Ｂ）は、表示される画像を示した図である。また、図５は、近距離の被写体に焦点を合わせた時の光路図であり、図６（Ａ）は、撮影により得られる全体被写体像を示した図であり、図６（Ｂ）は、表示される画像を示した図である。

図１に示す状態から、図３に示すようにカメラ１０の鏡筒１３を上方向へ角度β傾けた場合、遠距離にある被写体Ｙ１はＣＣＤ１４の受光面１４Ａ上で合焦する。これにより、受光面１４Ａに形成されるとともに第１メモリ１８に格納される全体被写体像ＡＡにおいて、鮮明な被写体像ＩＹ１が形成される（図４（Ａ）参照）。

合焦判別部２０では、コントラスト方式により、全体被写体像ＡＡの中で合焦している領域が検出される。ここでは、全体被写体像を副走査方向（縦方向）であるｊ方向に沿って画像信号の高周波成分、すなわちコントラストが検出される。合焦位置で振幅が最大となり、その前後においては振幅が小さくなることから、例えば、Ｍライン上で画像信号の高周波成分を検出した場合、区間Ｅ１において振幅が最大となり、区間Ｅ２における振幅は区間Ｅ１に比べて小さい。

周波数成分に基づき、全体被写体像ＡＡの中で高周波成分の振幅が大きい領域ＦＡ（以下では、合焦領域という）が規定され、合焦領域ＦＡを抽出するための制御信号が合焦判別部２０から領域抽出部２２へ送られる。そして、領域抽出部２２では、合焦領域ＦＡに応じた画像信号が抽出され、第２メモリ２４に格納される。その結果、ＬＣＤ２８には、合焦領域の画像が表示される（図４（Ｂ）参照）。

一方、カメラ鏡筒１３を図１の状態から下方へ所定角度γ傾けた場合（図５参照）、近距離にある被写体Ｙ２の結像面は、ＣＣＤ１４の受光面１４Ａに一致する。このため、第１メモリ１８に格納される全体被写体像ＡＡの中で、第２の像ＩＹ２は鮮明な像として形成される（図６（Ａ）参照）。そして、全体被写体像ＡＡの中で合焦している合焦領域ＦＡが検出され、合焦領域ＦＡにおける画像（合焦画像）がＬＣＤ２８全体に表示される（図６（Ｂ）参照）。

このように第１の実施形態によれば、カメラ１０には、合焦判別部２０、領域抽出部２２が設けられており、ＣＣＤ１４は、光軸Ｅに垂直な面に対して所定角度だけ傾斜するように位置決めされている。そして、撮影者がカメラ１０を傾けることにより、表示させたい被写体像が合焦画像として表示、あるいは記録される。なお、撮像素子は傾斜調整手段を設け、ユーザにより撮像素子が角度調整可能なように構成してもよい。

次に、図７、８を用いて、第２の実施形態である撮像装置について説明する。第２の実施形態では、第１の実施形態と異なり、あらかじめ抽出される画像領域が定められている。

図７は、第２の実施形態である撮像装置のブロック図である。図８は、ＣＣＤの受光面を示した図である。第２実施形態の撮像装置は、動画像を外部機器へ出力するための装置である。

撮像装置１０’には、領域抽出部２２が設けられるとともに、表示装置４１、記録装置４５が接続されている。ＣＣＤ１４’の受光面１４Ａ上には、あらかじめ抽出される領域が定められている。ＣＣＤ１４には、遠距離にある被写体用の抽出領域１４Ｋ、近距離にある被写体用の抽出領域１４Ｎ，中間にある被写体の抽出領域１４Ｍが規定されている。ユーザは、撮影しようとする被写体までの距離を考慮し、撮影距離設定スイッチ３１の操作によりいずれかの領域を抽出領域として設定する。ユーザは表示させたい被写体を設定された抽出領域に収まるように、撮像装置を光軸Ｅに関して上下に傾ける。

ＣＣＤ１４から順次画像信号が読み出されると、領域抽出部２２では、ＣＣＤ１４から読み出された画像信号に基づき、設定された画像領域に応じた合焦画像データが抽出され、第２メモリ２４へ送られる。第２メモリ２４から合焦画像データが読み出されると、外部の表示装置４１へ送られる。ユーザは、表示させたい被写体像が合焦しているか確認しながら、撮像装置１０の傾斜角度を調整する。そして、スイッチ２９が操作されると、合焦画像データが記録装置４５へ送られる。

以下では、図９〜図１９を用いて、ＣＣＤの受光面をできるだけ光軸Ｅの垂直方向により近づけた状態で（できるだけ撮像素子を傾けない状態で）配置できるように、ＣＣＤの最小傾斜角度を考える。

まず、図９を用いて、第３の実施形態である撮像装置について説明する。第３の実施形態では、錯乱円を考慮しない時のＣＣＤの最小傾斜角度条件を求める。撮像装置の構成は、第１の実施形態の撮像装置と同じである。

図９は、ＣＣＤの配置を示した図である。受光面１４Ａの第１端部１４Ｘ，第２端部１４Ｙに関し、上方にある第１端部１４Ｘを無限遠にある被写体の結像点とし、第２端部１４Ｙを撮影可能な最近距離にある被写体（以下、最近点という）の結像点とする条件を考える。すなわち、無限遠から最近点までの範囲に存在する被写体の像が少なくとも受光面１４Ａの所定領域において合焦するためのＣＣＤ１４の最小傾斜角度条件を求める。

焦点距離を「ｆ」、光軸Ｅに沿った第１端部１４Ｘと第２端部１４Ｙとの距離を「Δｆ」、被写体Ｙ３の光軸Ｅからの高さを「Ｈ」，被写体Ｙ３の光軸Ｅとの交点を「Ｓ２」，被写体Ｙ３の頂点を「Ｓ１」、撮影光学系１２の主点を「Ｃ」、ＣＣＤ１４を傾斜させずに光軸Ｅに垂直に配置した場合の最近点の結像面を「ＫＫ」，被写体Ｙ３の頂点Ｓ１の直線ＫＫ上における結像点を「Ｈ₁」，直線ＫＫと光軸Ｅとの交点を「Ｈ₂」，被写体Ｙ３の頂点Ｓ１の上限光線ＵＬと光軸Ｅと垂直な主平面ＭＭとの交点を「Ｃ１」、上限光線ＵＬと光軸Ｅとの交点を「ＦＤ」、光軸Ｅから結像点Ｈ₁までの距離を「ｈ」、そして、主点Ｃと最近点にある被写体Ｙ３との距離である最短撮影距離を「Ｌ_min」と規定する。ＣＣＤ１４の第１端部１４Ｘは、焦点面ＦＳ上に位置決めされており、ＣＣＤ１４の受光面１４Ａの傾斜角度をここでは「θ₁」と表す。

点Ｃ，Ｓ１、Ｓ２を頂点とする三角形と点Ｃ，Ｈ₁、Ｈ₂を頂点とする三角形の相似関係により、以下の式が満たされる。

Ｈ／Ｌ_min＝ｈ／（ｆ＋Δｆ） ・・・（１）

また、点Ｃ，Ｃ１、ＦＤを頂点とする三角形と点Ｈ₂、Ｈ₁、ＦＤを頂点とする三角形の相似関係により、以下の式が満たされる。

Ｈ／ｆ＝ｈ／Δｆ ・・・（２）

（１）、（２）式より、Δｆが以下の式により算出される。

Δｆ＝ｆ²／（Ｌ_min−ｆ） ・・・（３）

ここで、受光面１４Ａの有効長を「ｈ_c」で表すと、θ₁は以下の関係式を満たす。

ｓｉｎθ₁＝Δｆ／ｈ_c ・・・（４）

（４）式から、θ₁は以下の式によって求められる。

θ₁ ＝ｓｉｎ^-1（Δｆ／ｈ_c）
＝ｓｉｎ^-1（（１／ｈ_c） × ｆ²／（Ｌ_min−ｆ）） ・・・（５）

ＣＣＤ１４をθ₁以上傾斜させた場合、無限遠の結像点と最近点の結像点は、受光面１４Ａの有効長ｈ_c内に収まる。したがって、少なくともθ₁以上の傾斜角度でＣＣＤ１４を配置することで、合焦画像を記録、表示することができる。

次に、図１０を用いて、第４の実施形態である撮像装置について説明する。第４の実施形態では、抽出領域の中心が無限遠および最近点の結像点として規定された時のＣＣＤの最小傾斜角度条件を求める。撮像装置の構成は、第２の実施形態の撮像装置と同じである。

図１０は、抽出領域を考慮したＣＣＤの配置を示した図である。ここでは、第２実施形態で示したように、第１端部１４Ｘ、第２端部１４Ｙ側にそれぞれ遠距離用の抽出領域ＦＡ１、近距離用の抽出領域ＦＡ２を規定し、各抽出領域の中心が無限遠、あるいは最近点の像に対応させる。このように設定することにより、各抽出領域内における像の鮮明度合いが均一化するとともに、その中心から上下方向に沿って像の鮮明度合いが対称的になる。

受光面１４Ａ上において、両端側に位置する部分領域ＦＡ１、ＦＡ２の長さを「ｈ_p」、部分領域ＦＡ１、ＦＡ２の中心位置をそれぞれ「ＨＣ１」、「ＨＣ２」、受光面１４Ａの傾斜角度をθ₂と表した場合、θ₂は（４）式の代わりに以下の関係式を満たす。

ｓｉｎθ₂＝Δｆ／（ｈ_c−２×ｈ_p／２）＝Δｆ／（ｈ_c−ｈ_p） ・・・（６）

従って、θ₂は以下の式で求められる。

θ₂＝ｓｉｎ^-1（Δｆ／（ｈ_c−ｈ_p））
＝ｓｉｎ^-1（１／（ｈ_c−ｈ_p） × ｆ²／（Ｌ_min−ｆ）） ・・・（７）

次に、図１１〜図１３を用いて、第５の実施形態である撮像装置について説明する。第５の実施形態では、許容錯乱円を考慮するとともに、受光面の中心位置が光軸に沿ってΔｆ／２に距離にある場合のＣＣＤの最小傾斜角度条件を求める。撮像装置の構成は、第１の実施形態と同じである。

図１１は、錯乱円が生じた時のＣＣＤの配置を示した図であり、図１２は、無限遠側の錯乱円を考慮したＣＣＤの配置を示した図であり、図１３は、図１２の撮影光学系付近を拡大した図である。まず、受光面１４Ａの両端を無限遠、最近点の像点となるように規定し，焦点深度、すなわち像のボケがないと視覚的に許容される許容錯乱円を考慮する。

図１１には、第１端部１４Ｘ、第２端部１４Ｙにそれぞれ無限遠および最近点の結像点と一致した状態の受光面１４Ａの配置を破線で示しており、その状態から光軸Ｅに垂直な方向へ姿勢を変えることによって生じる錯乱円ｃ₁、ｃ₂が表されている。ＣＣＤ１４の受光面１４Ａの第１端部１４Ｘ近傍における錯乱円の径を「ｄ₁」、第２端部１４Ｙ近傍における錯乱円の径を「ｄ₂」と表した場合、錯乱円ｃ₁、ｃ₂の径ｄ₁、ｄ₂が許容錯乱円の径以下になるＣＣＤ１４の傾斜角度の条件を求める（図１２参照）。ただし、受光面１４Ａの中心位置１４Ｗが光軸Ｅに沿ってΔｆ／２に距離にあるようにＣＣＤ１４が配置された状態での傾斜角度の条件を求める。

受光面１４Ａの中心位置１４Ｗが光軸Ｅに沿ってΔｆ／２に距離にある場合、錯乱円ｄ₁は錯乱円ｄ₂より大きい（ｄ₁＞ｄ₂）。したがって、以下では、錯乱円ｄ₁が許容錯乱円以下になるＣＣＤ１４の傾斜角度の条件を求める。

図１２に示すように、受光面１４Ａの傾斜角度を「θ₃、」撮影光学系１２の有効径を「Ｄ」，焦点面ＦＳと第１端部１４Ｘとの光軸Ｅに沿った距離を「ｇ」、上限光線ＵＬと光軸Ｅに対する角度を「φ」、上限光線ＵＬと受光面１４Ａとの交点を「１４Ｚ」と、上限光線ＵＬと主点面ＭＭとの交点である上限点を「１２Ｘ」，主点面ＭＭにおいて下限光線ＤＬとの交点である下限点を「１２Ｙ」、受光面１４Ａに平行であって、下限点１２Ｙを通る平行直線を「ＪＪ」、上限光線ＵＬと平行直線ＪＪとの交点を「ＪＬ」、撮影光学系１２の下限点１２Ｙと交点ＪＬとの距離を「Ｄ₁」、第１端部１４Ｘを通り光軸Ｅに垂直な直線を「ＪＫ」と規定する。

上限光線ＵＬと下限光線ＤＬとの交点を「ＰＱ」と表した場合、点ＪＬ、１２Ｙ、ＰＱを頂点とする三角形と、点１４Ｚ、１４Ｘ、ＰＱを頂点とする三角形との相似関係により、以下の式が満たされる。すなわち、ｄ₁とＤ₁との比率と等しい、ＰＱと１４Ｘとを結んだ直線とＰＱと１２Ｙとを結んだ直線の比率がｇとｆとの比率に等しいことから（８）式が得られる。

ｄ₁：Ｄ₁＝ｇ：ｆ ・・・（８）

（８）式により、錯乱円ｃ₁の径ｄ₁は次式によって求められる。

ｄ₁＝ｇ／ｆ×Ｄ₁ ・・・（９）

さらに、図１３に示すように、上限点１２Ｘを通り光軸Ｅに平行な直線ＭＮと平行直線ＪＪとの交点を「ＸＸ」、交点ＸＸを通り主平面ＭＭに平行な直線ＭＳと上限光線ＵＬとの交点を「ＹＹ」と規定し、直線ＪＪにおける点１２Ｙと交点ＸＸとの距離を「Ｄ₂」、直線ＭＮ上における点１２Ｘと点ＸＸとの距離を「Ｄ₃」、直線ＭＳ上における点ＸＸと点ＹＹとの距離を「Ｄ₄」と表した場合、以下の関係式が満たされる。

Ｄ₂＝Ｄ／ｃｏｓθ₃ ・・・（１０）

Ｄ₃＝Ｄｔａｎθ₃ ・・・（１１）

Ｄ₄＝Ｄ₃ｔａｎφ ・・・（１２）

一方、点ＪＬ、ＸＸ、ＹＹを頂点とする三角形と、点ＪＬ、１２Ｙ、１２Ｘを頂点とする三角形との相似関係により、以下の式が満たされる。

Ｄ：Ｄ₄＝Ｄ₁：（Ｄ₂−Ｄ₁） ・・・（１３）

（１３）式より、Ｄ₁は以下の式により求められる。

Ｄ₁＝Ｄ／（ｓｉｎθ₃×ｔａｎφ＋ｃｏｓθ₃） ・・・（１４）

（９）式に（１４）式を代入することにより、ｄ₁が以下の式で求められる。

ｄ₁＝（ｇＤ／ｆ）× １／（ｓｉｎθ₃×ｔａｎφ＋ｃｏｓθ₃）・・・（１５）

上限光線ＵＬと、光軸Ｅに垂直な直線ＪＫとの交点を「ＰＸ」とし、直線ＪＫ上における点ＰＸと第１端部１４Ｘとの距離を「ｈ₁」と規定した場合、点ＰＱ、１２Ｙ、１２Ｘを頂点とする三角形と、点ＰＱ、１４Ｘ、ＰＸを頂点とする三角形の相似関係から、以下の式が満たされる。

ｈ₁：Ｄ＝ｇ：ｆ ・・・（１６）

（１６）式より、ｈ₁は以下の式で求められる。

ｈ₁＝（ｇ／ｆ）×Ｄ ・・・（１７）

また、交点ＰＸを通り光軸Ｅに平行な直線を「ＪＭ」、上限点１２Ｘとの主点面ＭＭに沿った距離差を「Ｄ₅」とした場合、φは以下の式を満たす。

ｔａｎφ＝Ｄ₅／（ｆ＋ｇ） ・・・（１８）

一方、直線ＪＫと光軸Ｅとの交点を「ＳＴ」と規定した場合、交点１４Ｘと交点ＳＴの距離は、以下の式を満たす。

Ｄ₅＋Ｄ／２＋ｈ₁＝（ｈ_c／２）×ｃｏｓθ₃ ・・・（１９）

従って、Ｄ₅は以下の式で求められる。

Ｄ₅＝（ｈ_c／２）×ｃｏｓθ₃−ｈ₁−Ｄ／２ ・・・（２０）

（２０）式を（１８）式に代入すると、

ｔａｎφ＝（（ｈ_c／２）×ｃｏｓθ₃−ｈ₁−Ｄ／２）／（ｆ＋ｇ）
・・・（２１）

さらに、（１７）式を（２１）式に代入することにより、ｔａｎφは以下で表される。

ｔａｎφ＝（（ｈ_c／２）×ｃｏｓθ₃−ｇＤ／ｆ−Ｄ／２）／（ｆ＋ｇ）
・・・（２２）

Δｆは（３）式により求められることから、（１５）式に（３）式、（２０）式を代入してΔｆ、φを消去すると、以下の式が導かれる。

ｓｉｎθ₃×（ｈ_c／２ × ｃｏｓθ₃−Ｄ（ｇ／ｆ＋１／２））／（ｆ＋ｇ）
＋ｃｏｓθ₃＝ｇＤ／ｆｄ₁ ・・・（２３）

点１４Ｘ、１４Ｗ、ＳＴを頂点とする三角形に基づき、ｇとΔｆとは以下の関係式を満たす。

ｇ＝（Δｆ−ｈ_c×ｓｉｎθ₃）／２ ・・・（２４）

よって、（２４）式によって（２３）式からｇを消去すると、以下の式が導かれる。

Ｋ＋Ｌ＝Ｍ ・・・（２５）

ただし、

Ｋ＝（Ｄ／ｆｄ₁）×（ｈ_cｓｉｎ²θ₃−２Δｆ×ｈ_cｓｉｎθ₃＋Δｆ²）／４
Ｌ＝（（１／ｄ₁＋ｓｉｎθ₃／ｆ）×Ｄ−ｃｏｓθ₃）×（Δｆ−ｈ_cｓｉｎθ₃）／２
Ｍ＝ｓｉｎθ₃（ｈ_cｃｏｓθ₃−Ｄ）／２＋ｆｃｏｓθ₃

ＣＣＤ１４の傾斜角度は微小と仮定できることから、以下の条件式が導かれる。

ｃｏｓθ₃≒１、ｓｉｎ²θ₃≒０ ・・・（２６）

したがって、（２５）式から、θ₃は以下の式によって算出される。

θ₃＝ｓｉｎ^-1（（Δｆ／２−ｄ₁ｆ／Ｄ）（２ｆ＋Δｆ）／（（ｈ_c−ｄ₁）（ｆ＋Δｆ）））
・・・（２７）

ただし、（３）式より、Δｆ＝ｆ²／（Ｌ_min−ｆ）を満たす。また、錯乱円の最大径ｄ₁、すなわち許容錯乱円の径は、撮影光学系１２、ＣＣＤ１４の画素数、サイズ等に従って定められる。

（２７）式より求められる角度θ₃は、傾斜最小角度を示す。すなわち、θ₃以下の傾斜角度でＣＣＤ１４を配置した場合、許容錯乱円以上の径をもつ錯乱円が形成されることになり、ボケた画像が形成されてしまう。

例えば、受光面１４Ａの有効長ｈ_c＝５．４ｍｍ、焦点距離ｆ＝５．４ｍｍ、最短撮影距離Ｌ_min＝３００．０ｍｍ（遠方距離＝∞）、撮影光学系１２のＦナンバーｆ／Ｄ＝２．８、錯乱円の径ｄ₁の最大径＝許容錯乱円の径＝０．００９ｍｍと規定した場合、（２７）式より、θ₃が求められる。

θ₃＝０．５１１７° ・・・（２８）

ただし、許容錯乱円の径ｄ₁は、ＣＣＤ１４の１ライン分の画素数が１８００、画素ピッチ間隔が３μｍであるときの値である。

次に、第６の実施形態である撮像装置について説明する。第６の実施形態では、焦点深度を考慮した傾斜角度の条件として、抽出領域の中心の一方が最近点のボケ像の端点となる場合の傾斜角度を求める。上述したように、ｈ_cの代わりに（ｈ_c−ｈ_p）を代入すればよいことから、このときの傾斜角度をθ₄とすると、

θ₄＝ｓｉｎ^-1（（（Δｆ／２−ｄ₁ｆ／Ｄ）（２ｆ＋Δｆ））
÷（（ｈｃ−ｈｐ−ｄ₁）（ｆ＋Δｆ））） ・・・（２９）

（θ₄＞θ₃）

次に、図１４を参照して、第７の実施形態である撮像装置について説明する。第７の実施形態では、受光面の両端における錯乱円の径が同一である場合のＣＣＤの最小傾斜角度条件を求める。

図１４は、錯乱円の径が同一であるときのＣＣＤの配置を示した図である。無限遠（第１端部１４Ｘ）側の錯乱円の径ｄ₁と最近点（第２端部１４Ｙ）側の錯乱円の径ｄ₂が等しい場合、受光面１４Ａの有効長ｈｃの中心１４Ｗは、第１〜第４実施形態と異なり、直線ＦＳから光軸Ｅに沿ってΔｆ／２の位置にない。ここでは、第１端部１４Ｘを通る直線ＪＫと光軸Ｅとの交点ＳＴと焦点面ＦＳとの距離を「ｇ₁」、第２端部１４Ｙを通り光軸Ｅに垂直な直線ＫＫから最近点の結像点のある直線ＪＳまでの距離を「ｇ₂」とする。また、ＣＣＤ１４の受光面１４Ａの傾斜角度をθ₅、無限遠（第１端部１４Ｘ）側へ進む光の上限光線ＵＬと直線ＪＭとのなす角、すなわち、第３、４実施形態におけるφに相当する角度を「φ₁」、そして、光軸Ｅと最近点（第２端部１４Ｙ）側へ進む光の上限光線ＴＬとのなす角を「φ₂」と規定する。

一方、ＣＣＤ１４の受光面１４Ａに平行な直線ＪＪと、最近点（第２端部１４Ｙ）側へ進む上限光線ＴＬに沿って撮影光学系１２の上限点１２Ｘから延びる直線ＴＴとの交点を「ＪＱ」とした時、撮影光学系１２の下限点１２Ｙと交点ＪＱとの距離を「Ｄ’₂」と規定する。また、主点面ＭＭと交点ＪＱとの距離を「Ｄ’₃」と、光軸Ｅに平行で上限点１２Ｘを通る直線ＭＮから交点ＪＱまでの距離を「Ｄ’₄」と規定する。さらに、上限光線ＴＬと直線ＫＫとの交点を「ＵＳ」とし、光軸Ｅに平行であって交点ＵＳを通る直線を「ＭＲ」とした時、直線ＭＲから撮影光学系１２の下限点１２Ｙまでの距離を「Ｄ’₅」と規定する。

上限光線ＴＬと受光面１４Ａの交点を「ＴＭ」、直線ＪＳ上における最近点の結像点を「ＴＮ」とした場合、ＴＮ、ＴＭ、１４Ｙを頂点とする三角形と、ＴＮ、ＪＱ、１２Ｙを頂点とする三角形との相似関係により、以下の式が満たされる。

ｄ₂：Ｄ’₂＝ｇ₂：（ｆ＋Δｆ） ・・・（３０）

したがって、ｄ₂は以下の式により求められる。

ｄ₂＝ｇ₂Ｄ’₂／（ｆ＋Δｆ） ・・・（３１）

一方、主平面ＭＭ上にあって、撮影光学系１２の上限点１２Ｘから距離Ｄ’₄にある点を「ＪＵ」とした場合、１２Ｙ、ＪＱ、ＪＵを頂点とする直角三角形に基づき、以下の式が導かれる。

Ｄ’₂ｃｏｓθ₅＝Ｄ＋Ｄ’₄
＝Ｄ＋Ｄ’₂ｓｉｎθ₅×ｔａｎφ₂ ・・・（３２）

（３２）式により、Ｄ’₂は、以下の式で求められる。

Ｄ’₂＝Ｄ／（ｃｏｓθ₅−ｓｉｎθ₅×ｔａｎφ₂） ・・・（３３）

（３３）式を（３１）式に代入することにより、ｄ₂は以下の式で求められる。

ｄ₂＝ｇ₂／（ｆ＋Δｆ） × Ｄ／（ｃｏｓθ₅−ｓｉｎθ₅ｔａｎφ₂）
・・・（３４）

点ＵＳと第２端部１４Ｙとの距離を「ｈ₂」とした場合、次に、ＴＮ、ＵＳ、１４Ｙを頂点とする三角形と、ＴＮ、１２Ｘ、１２Ｙを頂点とする三角形との相似関係により、以下の式が満たされる。

ｈ₂：Ｄ＝ｇ₂：（ｆ＋Δｆ） ・・・（３５）

したがって、

ｈ₂＝ｇ₂Ｄ／（ｆ＋Δｆ） ・・・（３６）

ここで、主平面ＭＭ上にあって直線ＭＲとの交点を「ＪＸ」とした場合、ＵＳ、ＪＸ、１２Ｘを頂点とする直角三角形から、以下の式が導かれる。

ｔａｎφ₂＝（Ｄ＋Ｄ’₅）／（ｆ＋Δｆ−ｇ₂） ・・・（３７）

ここで、Ｄ’５は以下の式により求められる。

Ｄ’₅＝（ｈ_c／２）ｃｏｓθ₅−Ｄ／２−ｈ₂ ・・・（３８）

したがって、（３６）を代入した（３８）式を（３７）式に代入することにより、以下の式が導かれる。

ｔａｎφ₂＝（（ｈ_c／２）ｃｏｓθ₅−ｇ₂Ｄ／（ｆ＋Δｆ）＋Ｄ／２）
÷（ｆ＋Δｆ−ｇ₂） ・・・（３９）

第１端部１４Ｘを通り光軸Ｅに平行な直線ＪＷと直線ＫＫとの交点を「ＪＺ」とした場合、１４Ｙ、１４Ｘ、ＪＺを頂点とする直角三角形に基づき、以下の式が導かれる。

ｈ_cｓｉｎθ₅＝Δｆ−ｇ₁−ｇ₂ ・・・（４０）

一方、第３、第４実施形態における（１５）、（２２）式に従い、ｄ₁、φ₁は以下の式によって求められる。

ｄ₁＝（ｇ₁Ｄ／ｆ） × １／（ｓｉｎθ₅×ｔａｎφ₁＋ｃｏｓθ₅）
・・・（４１）

ｔａｎφ₁＝（（ｈ_c／２）×ｃｏｓθ₅−ｇ₁Ｄ／ｆ−Ｄ／２）／（ｆ＋ｇ₁）
・・・（４２）

また、上述した条件より、

ｄ₁＝ｄ₂ ・・・（４３）

したがって、（３４）、（３９）、（４０）、（４１）、（４２）、（４３）式を満たすθ₅が、ｄ₁、ｄ₂を許容錯乱円の径以下にする最小限度角度である。

次に、図１５を用いて、第８の実施形態について説明する。第８の実施形態では、第３の実施形態と異なり、被写体が無限遠でなく所定の遠距離にある被写体を撮影する際、錯乱円を考慮しないＣＣＤの最小傾斜角度条件を求める。それ以外の構成は、第３の実施形態と同じである。

図１５は、ＣＣＤの配置を示した図である。被写体Ｙ４の光軸Ｅからの高さを「Ｈ’」、被写体Ｙ４の頂点を「Ｔ１」、被写体Ｙ４と光軸Ｅとの交点を「Ｔ２」、第１端部１４Ｘを通り光軸Ｅに垂直な直線を「ＪＫ’」、被写体Ｙ４の頂点Ｔ１の直線ＪＫ’上における結像点を「Ｈ₃」、光軸Ｅから結像点Ｈ₃までの距離を「ｈ’」、被写体Ｙ４の下限光線ＤＬと主平面ＭＭとの交点を「Ｃ２」と規定する。また、焦点面ＦＳから光軸Ｅに沿ってＣＣＤ１４の第１端部１４Ｘまでの距離を「Δｆ₂」、ＣＣＤ１４の傾斜角度を「θ₁’」と定める。遠方撮影距離「Ｌ_max」は、被写体Ｙ４が焦点面ＦＳから所定距離Δｆ₂後方で結像する場合の被写体距離を示す。

第３の実施形態と同様に、点Ｃ，Ｓ１、Ｓ２を頂点とする三角形と点Ｃ，Ｈ₁、Ｈ₂を頂点とする三角形の相似関係と、点Ｃ，Ｃ１、ＦＤを頂点とする三角形と点Ｈ₂、Ｈ₁、ＦＤを頂点とする三角形の相似関係により、以下の式が満たされる。


Ｈ／Ｌ_min＝ｈ／（ｆ＋Δｆ） ・・・（４４）

Ｈ／ｆ＝ｈ／Δｆ ・・・（４５）

これにより、Δｆが以下の式で表される。

Δｆ＝ｆ²／（Ｌ_min−ｆ） ・・・（４６）

一方、直線ＪＫ’と光軸Ｅとの交点を「Ｈ₂’」とした場合、点Ｃ，Ｔ１、Ｔ２を頂点とする三角形と点Ｃ，Ｈ₃、Ｈ₂’を頂点とする三角形の相似関係により、以下の式が満たされる。

Ｈ’／Ｌ_max＝ｈ’／（ｆ＋Δｆ₂） ・・・（４７）

また、点Ｃ，Ｃ２、ＦＤを頂点とする三角形と点Ｈ₂’、Ｈ₃、ＦＤを頂点とする三角形の相似関係により以下の式が満たされる。

Ｈ’／ｆ＝ｈ’／Δｆ₂ ・・・（４８）

（４７）、（４８）式により、以下の式が導かれる。

Δｆ₂＝ｆ²／（Ｌ_max−ｆ） ・・・（４９）

また（４）式と同様に、θ₁’は以下の関係式を満たす。

ｓｉｎθ₁’＝（Δｆ―Δｆ₂）／ｈ_c ・・・（５０）

（５０）式から、θ１’は以下の式によって求められる。

θ₁’ ＝ｓｉｎ^-1（（Δｆ−Δｆ₂）／ｈ_c）
＝ｓｉｎ^-1（（１／ｈ_c）×ｆ²（１／（Ｌ_min−ｆ）−１／（Ｌ_max−ｆ）））
・・・（５１）

なお、頂点が第１端部１４Ｘに結像する被写体Ｙ４’は破線で示されている。

次に、第９の実施形態である撮像装置について説明する。第９の実施形態は、第４の実施形態に対応しており、抽出領域の中心が所定の遠距離点および最近点の結像点として規定された時のＣＣＤの最小傾斜角度条件を求める。

図１６は、抽出領域を考慮したＣＣＤの配置を示した図である。第４の実施形態と同様、θ₂’は（４）式の代わりに以下の関係式を満たす。

ｓｉｎθ₂’＝（Δｆ―Δｆ₂）／（ｈ_c−ｈ_p） ・・・（５２）

従って、θ₂’は以下の式で求められる。

θ₂’＝ｓｉｎ^-1（（１／（ｈ_c−ｈ_p））
×ｆ²（１／（Ｌ_min−ｆ）−１／（Ｌ_max−ｆ））） ・・・（５３）

次に、第１０の実施形態である撮像装置について説明する。第１０の実施形態は、第５の実施形態に対応しており、許容錯乱円を考慮する。ただし、遠距離点の結像面が焦点面ＦＳから所定距離だけ後方に位置する。

図１７は、錯乱円が生じる時のＣＣＤの配置を示した図であり、図１８は、遠距離点側の錯乱円を考慮したＣＣＤの配置を示した図であり、図１９は、図１７の撮影光学系付近を拡大した図である。受光面１４Ａの両端を遠近点、最近点の像点となるように規定し，焦点深度、すなわち像のボケがないと視覚的に許容される許容錯乱円を考慮する。

図１７では、錯乱円ｃ₁、ｃ₂の径ｄ₁、ｄ₂がそれぞれ第１端部１４Ｘ、第２端部１４Ｙ近傍に生じており、受光面１４Ａは、光軸Ｅに沿って焦点面ＦＳから距離（Δｆ＋Δｆ₂）／２だけ後方に中心位置１４Ｗが位置するように配置される。

第５の実施形態と同様に、点ＪＬ、１２Ｙ、ＰＱを頂点とする三角形と、点１４Ｚ、１４Ｘ、ＰＱを頂点とする三角形との相似関係により、以下の式が満たされる。

ｄ₁：Ｄ₁’＝ｇ：ｆ＋Δｆ₂ ・・・（５４）

（５４）式から、錯乱円の径ｄ₁は次式によって求められる。

ｄ₁＝ｇ／（ｆ＋Δｆ₂）×Ｄ₁’ ・・・（５５）

また、第５の実施形態同様に、以下の関係式が満たされる。

Ｄ₂’＝Ｄ／ｃｏｓθ₃’ ・・・（５６）

Ｄ₃’＝Ｄｔａｎθ₃’ ・・・（５７）

Ｄ₄’＝Ｄ₃’ｔａｎφ’ ・・・（５８）

点ＪＬ、ＸＸ、ＹＹを頂点とする三角形と、点ＪＬ、１２Ｙ、１２Ｘを頂点とする三角形との相似関係により、以下の式が満たされる。

Ｄ：Ｄ₄’＝Ｄ₁’：（Ｄ₂’−Ｄ₁’） ・・・（５９）

（５８）式より、Ｄ₁’は以下の式により求められる。

Ｄ₁’＝Ｄ／（ｓｉｎθ₃’×ｔａｎφ’＋ｃｏｓθ₃’） ・・・（６０）

（５５）式に（６０）式を代入することにより、ｄ₁が以下の式で求められる。

ｄ₁＝（ｇＤ／（ｆ＋Δｆ₂））× １／（ｓｉｎθ₃’×ｔａｎφ’＋ｃｏｓθ₃’）
・・・（６１）

第５の実施形態と同様、点ＰＱ、１２Ｙ、１２Ｘを頂点とする三角形と、点ＰＱ、１４Ｘ、ＰＸを頂点とする三角形の相似関係から、以下の式が満たされる。

ｈ₁’：Ｄ＝ｇ：（ｆ＋Δｆ₂） ・・・（６２）

また、ｈ₁’、ｔａｎφ’は、以下の式により求められる。

ｈ₁’＝（ｇ／（ｆ＋Δｆ₂））×Ｄ ・・・（６３）

ｔａｎφ’＝Ｄ₅’／（ｆ＋Δｆ₂＋ｇ） ・・・（６４）

第５の実施形態同様、Ｄ₅’、ｔａｎφ’は以下の式により求められる。

Ｄ₅’＝（ｈ_c／２）×ｃｏｓθ₃’−ｈ₁−Ｄ／２ ・・・（６５）

ｔａｎφ’＝（（ｈ_c／２）×ｃｏｓθ₃’−ｇＤ／（ｆ＋Δｆ₂）−Ｄ／２）
／（ｆ＋Δｆ₂＋ｇ）
・・・（６６）

そして、Δｆ、φ’を消去することにより、以下の式が導かれる。

ｓｉｎθ₃’×（ｈ_c／２ × ｃｏｓθ₃’−ｇＤ／（ｆ＋Δｆ₂）−Ｄ／２）
／（ｆ＋Δｆ₂＋ｇ）＋ｃｏｓθ₃’＝ｇＤ／（ｆ＋Δｆ₂）ｄ₁
・・・（６７）

ｇとΔｆ、Δｆ₂は以下の関係式を満たす。

ｇ＝（Δｆ−Δｆ₂−ｈ_cｓｉｎθ₃’）／２ ・・・（６８）

したがって、以下の式が導かれる。

Ｋ’＋Ｌ’＝Ｍ’ ・・・（６９）

ただし、

Ｋ’＝（（Ｄ／（ｆ＋Δｆ₂）×ｄ₁））×ｇ²
Ｌ’＝（（１／ｄ₁＋ｓｉｎθ₃’／（ｆ＋Δｆ₂））×Ｄ−ｃｏｓθ₃’）×ｇ
Ｍ’＝ｓｉｎθ₃’（ｈ_cｃｏｓθ₃’−Ｄ）／２＋（ｆ＋Δｆ₂）ｃｏｓθ₃’

ｃｏｓθ₃’≒１、ｓｉｎ²θ₃’≒０ であることから、 θ₃’は以下の式によって算出される。

θ₃’＝ｓｉｎ^-1（（（Δｆ―Δｆ₂）／２−ｄ₁（ｆ＋Δｆ）／Ｄ）（２ｆ＋Δｆ＋Δｆ₂）／
（（ｈ_c−ｄ₁）（ｆ＋Δｆ）））
・・・（７０）

例えば、電子内視鏡に適用される撮像装置を考慮し、受光面１４Ａの有効長ｈ_c＝５．４ｍｍ、焦点距離ｆ＝４．０ｍｍ、最短撮影距離Ｌ_min＝１０．０ｍｍ、所定遠距離点までの距離Ｌ_max＝５０．０ｍｍ，撮影光学系１２のＦナンバーｆ／Ｄ＝８．０、錯乱円の径ｄ₁の最大径＝許容錯乱円の径＝０．００９ｍｍと規定した場合、（７０）式により、θ₃’が求められる。

θ₃’＝１８．５８° ・・・（７１）

次に、第１１の実施形態である撮像装置について説明する、第１１の実施形態では、第６の実施形態と同様に、抽出領域の中心の一方が最近点のボケ像の端点となる場合の傾斜角度を求める。この場合、傾斜角度θ₄’は以下の式により求められる。

θ₄’＝
ｓｉｎ^-1（（（（Δｆ―Δｆ₂）／２−ｄ₁（ｆ＋Δｆ）／Ｄ）（２ｆ＋Δｆ＋Δｆ₂））÷（（ｈ_c−ｈｐ−ｄ１）（ｆ＋Δｆ）））
・・・（７２）

第１の実施形態であるデジタルスチルカメラのブロック図である。 受光面に形成される被写体像を示した図である。 遠距離の被写体に焦点を合わせた時の光路図である。 撮影により得られる全体被写体像と表示される画像を示した図である。 近距離の被写体に焦点を合わせた時の光路図である。 撮影により得られる全体被写体像と表示される画像を示した図である。 第２の実施形態である撮像装置のブロック図である。 第２の実施形態におけるＣＣＤの受光面を示した図である。 第３の実施形態におけるＣＣＤの配置を示した図である。 第４の実施形態における抽出領域を考慮したＣＣＤの配置を示した図である。 第５の実施形態における錯乱円が生じた時のＣＣＤの配置を示した図である。 第５の実施形態における無限遠側の錯乱円を考慮したＣＣＤの配置を示した図である。 第５の実施形態における図１２の撮影光学系付近を拡大して示した図である。 第７の実施形態における錯乱円の径が同一であるときのＣＣＤの配置を示した図である。 第８の実施形態におけるＣＣＤの配置を示した図である。 第９の実施形態における抽出領域を考慮したＣＣＤの配置を示した図である。 第１０の実施形態における錯乱円が生じた時のＣＣＤの配置を示した図である。 第１０の実施形態における遠距離点側の錯乱円を考慮したＣＣＤの配置を示した図である。 第１０の実施形態における図１７の撮影光学系付近を拡大して示した図である。

符号の説明

１２ 撮影光学系
１４ ＣＣＤ（撮像素子）
１４Ａ 受光面
２０ 合焦判別部
２２ 領域抽出部
２７ ＣＰＵ
２８ ＬＣＤ（表示手段）
３２ メモリカード（メモリ）

Claims (19)

1. 被写体像を形成する撮影光学系と、
   前記被写体像が形成される受光面を有し、前記被写体像に応じた画像信号を発生させるとともに、前記受光面が、前記撮影光学系の光軸垂直方向に対し相対的に所定角度で傾斜する撮像素子と、
   前記撮像素子から読み出される画像信号に基づき、前記被写体像の中で実質的に合焦している画像を合焦画像データとして抽出する抽出手段と、
   前記合焦画像データをメモリに記録する記録手段と、
   前記合焦画像データに従って、前記合焦画像を表示する表示手段と
   を備えることを特徴とする撮像機能付き電子機器。
2. 前記抽出手段が、前記被写体像の中で合焦している領域を検出する合焦判別手段を有することを特徴とする請求項１に記載の撮像機能付き電子機器。
3. 前記抽出手段が、
   遠距離にある被写体を結像させる第１の領域と、近距離にある被写体を結像させる第２の領域とを規定し、
   前記第１及び第２の領域に結像される被写体像のいずれかを合焦画像データとして選択的に抽出することを特徴とする請求項１に記載の撮像機能付き電子機器。
4. 前記抽出手段が、
   前記受光面における一方の端部側に位置し、無限遠を含む遠距離にある被写体を結像させる領域であって、光軸に沿って前記撮影光学系から相対的に近い無限遠側被写体領域と、
   前記受光面における他方の端部側に位置し、最近点を含む近距離にある被写体を結像させる領域であって、光軸に沿って前記撮影光学系から相対的に遠い最近点側被写体領域と、
   前記無限遠側被写体領域と前記最近点側被写体領域との間の中間にある被写体を結像させる領域である中間被写体領域とを規定し、
   いずれかの領域に結像される被写体像を合焦画像データとして選択的に抽出することを特徴とする請求項１に記載の撮像機能付き電子機器。
5. 被写体像を形成する撮影光学系と、
   前記被写体像が形成される受光面を有し、前記被写体像に応じた画像信号を発生させるとともに、前記受光面が前記撮影光学系の光軸垂直方向に対し相対的に所定角度で傾斜する撮像素子と、
   前記撮像素子から読み出される画像信号に基づき、前記被写体像の中で実質的に合焦している合焦画像を合焦画像データとして抽出する抽出手段と
   を備えたことを特徴とする撮像装置。
6. 撮影光学系を介して被写体像を撮像素子の受光面に形成させ、
   前記受光面が光軸垂直方向に対し相対的に所定角度で傾斜するように、前記撮像素子を位置決めし、
   前記撮像素子から読み出される画像信号に基づき、前記被写体像の中で実質的に合焦している合焦画像を合焦画像データとして抽出することを特徴とする撮像方法。
7. 被写体像を形成する撮影光学系と、
   前記被写体像が形成される受光面を有し、前記被写体像に応じた画像信号を発生させるとともに、前記受光面が、前記撮影光学系の光軸垂直方向に対し相対的に所定角度で固定された状態で傾斜する撮像素子とを備え、
   前記受光面の一方の端部が無限遠あるいは所定の遠距離にある被写体の結像点に対応し、他方の端部が撮影可能となる最近点にある被写体の結像点に対応するように、前記撮像素子が傾斜していることを特徴とする撮像装置。
8. 前記受光面の一方の端部が無限遠にある被写体の結像点に対応し、
   前記撮像素子が少なくとも以下の角度傾斜していることを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
   
   θ₁ ＝ｓｉｎ^-1（Δｆ／ｈ_c）
   ＝ｓｉｎ^-1（（１／ｈ_c） × ｆ²／（Ｌ_min−ｆ））
   
   ただし、ｆは、焦点距離、Δｆ＝ｆ²／（Ｌ_min−ｆ）、ｈ_cは、受光面の有効長、Ｌ_minは最近点から撮影光学系の主点までの距離を示す。
9. 前記受光面の一方の端部が所定の遠距離にある被写体の結像点に対応し、前記撮像素子が少なくとも以下の角度傾斜していることを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
   
   θ₁’＝ｓｉｎ^-1（（１／ｈ_c）×ｆ²（１／（Ｌ_min−ｆ）−１／（Ｌ_max−ｆ）））
   
   ただし、ｆは焦点距離、Δｆ＝ｆ²／（Ｌ_min−ｆ）、ｈ_cは受光面の有効長、Ｌ_minは最近点から撮影光学系の主点までの距離を示す。また、Ｌ_maxは、所定の遠距離にある所定遠距離点までの被写体距離を示す。
10. 被写体像を形成する撮影光学系と、
    前記被写体像が形成される受光面を有し、前記被写体像に応じた画像信号を発生させるとともに、前記受光面が、前記撮影光学系の光軸垂直方向に対し相対的に所定角度で固定された状態で傾斜する撮像素子とを備え、
    前記受光面において前記撮影光学系から相対的に遠い一方の端に、遠距離あるいは無限遠距離にある被写体を合焦させるための第１の画像領域と、前記撮影光学系から相対的に近い他方の端に近距離にある被写体を合焦させるための第２の画像領域とを規定し、
    前記第１の画像領域の中心が無限遠あるいは所定の遠距離にある被写体の結像点に対応し、前記第２の画像領域の中心が撮影可能となる最近点にある被写体の結像点に対応するように、前記撮像素子が傾斜していることを特徴とする撮像装置。
11. 前記第１の画像領域が、無限遠距離にある被写体を合焦させるための領域であり、
    前記第１の画像領域の中心が無限遠にある被写体の結像点に対応し、前記撮像素子が少なくとも以下の角度傾斜していることを特徴とする請求項１０に記載の撮像装置。
    
    θ₂＝ｓｉｎ^-1（Δｆ／ｈ_c−ｈ_p）
    ＝ｓｉｎ^-1（（１／（ｈ_c−ｈ_p）） × ｆ²／（Ｌ_min−ｆ））
    
    ただし、ｆは、焦点距離、Δｆ＝ｆ²／（Ｌ_min−ｆ）、ｈ_cは、受光面の有効長、ｈ_pは、第１および第２の画像領域の長さ、Ｌ_minは、最近点から撮影光学系の主点までの距離を示す。
12. 前記第１の画像領域が、遠距離にある被写体を合焦させるための領域であり、
    前記第１の画像領域の中心が所定の遠距離にある被写体の結像点に対応し、前記撮像素子が少なくとも以下の角度傾斜していることを特徴とする請求項１０に記載の撮像装置。
    
    
    θ₂’＝ｓｉｎ^-1（（１／（ｈ_c−ｈ_p））
    ×ｆ²（１／（Ｌ_min−ｆ）−１／（Ｌ_max−ｆ）））
    
    ただし、ｆは、焦点距離、Δｆ＝ｆ²／（Ｌ_min−ｆ）、ｈ_cは、受光面の有効長、ｈ_pは、第１および第２の画像領域の長さ、Ｌ_minは、最近点から撮影光学系の主点までの距離を示す。また、Ｌ_maxは、所定の遠距離にある所定遠距離点までの被写体距離を示す。
13. 被写体像を形成する撮影光学系と、
    前記被写体像が形成される受光面を有し、前記被写体像に応じた画像信号を発生させるとともに、前記受光面が、前記撮影光学系の光軸垂直方向に対し相対的に所定角度で固定された状態で傾斜する撮像素子とを備え、
    前記受光面の一方の端部が無限遠あるいは所定の遠距離にある被写体の結像点に対応し、他方の端部が撮影可能となる最近点にある被写体の結像点に対応し、
    前記一方の端部における錯乱円が許容錯乱円以下になるように、前記撮像素子が傾斜していることを特徴とする撮像装置。
14. 前記受光面の一方の端部が無限遠にある被写体の結像点に対応し、前記撮像素子が少なくとも以下の角度傾斜していることを特徴とする請求項１３に記載の撮像装置。
    
    θ₃＝ｓｉｎ^-1（（Δｆ／２−ｄ₁ｆ／Ｄ）（２ｆ＋Δｆ）／（（ｈ_c−ｄ₁）（ｆ＋Δｆ）））
    
    ただし、ｆは、焦点距離、Δｆ＝ｆ²／（Ｌ_min−ｆ）、ｈ_cは、受光面の有効長、Ｄは、撮影光学系の有効長、ｄ₁は、許容錯乱円の径、Ｌ_minは、最近点から撮影光学系の主点までの距離を示す。
15. 前記受光面の一方の端部が所定の遠距離にある被写体の結像点に対応し、前記撮像素子が少なくとも以下の角度傾斜していることを特徴とする請求項１３に記載の撮像装置。
    
    θ₃’＝ｓｉｎ^-1（（（Δｆ―Δｆ₂）／２−ｄ₁（ｆ＋Δｆ）／Ｄ）（２ｆ＋Δｆ＋Δｆ₂）／（（ｈ_c−ｄ₁）（ｆ＋Δｆ）））
    
    ただし、ｆは、焦点距離、Δｆ＝ｆ²／（Ｌ_min−ｆ）、Δｆ₂＝ｆ²／（Ｌ_max−ｆ）、ｈ_cは、受光面の有効長、Ｄは、撮影光学系の有効長、ｄ₁は、許容錯乱円の径、Ｌ_minは、最近点から撮影光学系の主点までの距離、Ｌ_maxは、所定の遠距離にある所定遠距離点までの被写体距離を示す。
16. 被写体像を形成する撮影光学系と、
    前記被写体像が形成される受光面を有し、前記被写体像に応じた画像信号を発生させるとともに、前記受光面が、前記撮影光学系の光軸垂直方向に対し相対的に所定角度で固定された状態で傾斜する撮像素子とを備え、
    前記受光面において前記撮影光学系から相対的に遠い一方の端に、遠距離または無限遠距離にある被写体を合焦させるための第１の画像領域と、前記撮影光学系から相対的に近い他方の端に近距離にある被写体を合焦させるための第２の画像領域とを規定し、
    前記第１の画像領域の中心が無限遠あるいは所定の遠距離にある被写体の結像点に対応し、前記第２の画像領域の中心が撮影可能となる最近点にある被写体の結像点に対応し、
    前記第１の画像領域に対応する錯乱円が許容錯乱円以下になるように、前記撮像素子が傾斜していることを特徴とする撮像装置。
17. 前記第１の画像領域が、無限遠距離にある被写体を合焦させるための領域であり、
    前記第１の画像領域の中心が無限遠にある被写体の結像点に対応し、前記撮像素子が少なくとも以下の角度傾斜していることを特徴とする請求項１６に記載の撮像装置。
    
    θ₄＝ｓｉｎ^-1（（（Δｆ／２−ｄ₁ｆ／Ｄ）（２ｆ＋Δｆ））
    ÷（（ｈ_c−ｈ_p−ｄ₁）（ｆ＋Δｆ）））
    
    ただし、ｆは、焦点距離、Δｆ＝ｆ²／（Ｌ_min−ｆ）、ｈ_cは、受光面の有効長、ｈ_pは、第１および第２の画像領域の長さ、Ｄは、撮影光学系の有効長、ｄ₁は、許容錯乱円の径、Ｌ_minは、最近点から撮影光学系の主点までの距離を示す。
18. 前記第１の画像領域が、遠距離にある被写体を合焦させるための領域であり、前記第１の画像領域の中心が所定の遠距離にある被写体の結像点に対応し、前記撮像素子が少なくとも以下の角度傾斜していることを特徴とする請求項１６に記載の撮像装置。
    
    θ₄’
    ＝ ｓｉｎ^-1（（（（Δｆ―Δｆ₂）／２−ｄ₁（ｆ＋Δｆ）／Ｄ）（２ｆ＋Δｆ＋Δｆ₂））÷（（ｈ_c−ｈ_p−ｄ₁）（ｆ＋Δｆ）））
    
    ただし、ｆは、焦点距離、Δｆ＝ｆ²／（Ｌ_min−ｆ）、Δｆ₂＝ｆ²／（Ｌ_max−ｆ）、ｈ_cは、受光面の有効長、ｈ_pは、第１および第２の画像領域の長さ、Ｄは、撮影光学系の有効長、ｄ₁は、許容錯乱円の径、Ｌ_minは、最近点から撮影光学系の主点までの距離、Ｌ_maxは、所定の遠距離にある所定遠距離点までの被写体距離を示す。
19. 被写体像を形成する撮影光学系と、
    前記被写体像が形成される受光面を有し、前記被写体像に応じた画像信号を発生させるとともに、前記受光面が、前記撮影光学系の光軸垂直方向に対し相対的に所定角度で固定された状態で傾斜する撮像素子とを備え、
    前記受光面の一方の端部が無限遠あるいは所定の遠距離にある被写体の結像点に対応し、他方の端部が撮影可能となる最近点にある被写体の結像点に対応し、
    両端の錯乱円の径が同一であって、ともに許容錯乱円以下になるように、前記撮像素子が配置されることを特徴とする撮像装置。
    

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