JP2006030256A

JP2006030256A - 撮像装置の焦点調整方法および焦点調整装置

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Publication number: JP2006030256A
Application number: JP2004204468A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Kodera; 秀和小寺; Motoaki Tamaya; 基亮玉谷; Hiroyuki Sasai; 浩之笹井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-07-12
Filing date: 2004-07-12
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】撮像装置の焦点調整時、レンズ位置を焦点方向のみならず、傾き方向にも調整することで撮像装置の合焦性能を向上させる。
【解決手段】画像処理手段１３によって得られた画像に基づき撮像素子２とレンズ４との相対位置を調整することによって撮像装置の焦点を調整する際、試験チャート１１として、白黒のテストパターンを有する第１の試験チャートと、白色チャートである第２の試験チャートの２種類を使用し、該試験チャート１１の光学像をレンズ４を通して撮像素子２に結像させ、第１の試験チャートを取り込んだ画像に基いて合焦する方向と必要調整量を検出するとともに、第２の試験チャートを取り込んだ画像の周辺光量比からレンズの傾きの調整方向と必要調整量を検出して、前記撮像素子に対する前記レンズの合焦位置および傾きの双方を調整するようにした撮像装置の焦点調整方法。
【選択図】図１

Description

この発明は、ＣＣＤ、ＡＲセンサ等の撮像素子を備える撮像装置の焦点調整方法および焦点調整装置に関するものである。

携帯電話等、モバイル機器に搭載されるカメラは、ＣＣＤ(電荷結合素子)に代表される撮像素子及びレンズユニット（以下、マウントと記載する）で構成されている。
従来、上記のマウントと受光素子は、撮像装置の組立工程において、互いに一体的に固定される。このとき、一般的には、このマウントの位置調整は、受光素子の受光面がレンズの焦点位置に配置されるよう、受光素子で得られた画像を利用して調整する。
すなわち、撮像装置のレンズの前方に、試験チャートを配置すると共に、撮像装置の受光素子からの信号を画像取り込み手段に取り込み、この撮影により得られた画像をモニタで観測しながら、レンズと受光素子との相対位置が最適位置になるよう調整する。
また、特許文献１では、レンズと受光素子との位置調整のため、リレーレンズ（短焦点レンズ）を挿入し、レンズの微小量調整による画像変化を大きくし、調整精度の向上を狙っている。

特開２００３−６６３０７号公報。

しかしながら、上述した従来の方法では、試験チャートとして、同一のものを用いており、中央合焦性能の調整は可能であるが、レンズの傾き調整が困難である。
また、リレーレンズを用いた場合、リレーレンズ自体の収差の影響のため、性能低下が懸念される。

この発明は、上記のような従来の問題点に鑑みなされたもので、撮像装置の焦点調整において、レンズ位置を焦点方向だけでなく、傾き方向にも調整することのできる、新規な撮像装置の焦点調整方法および焦点調整装置を提供することを目的とするものである。

この発明に係る撮像装置の焦点調整方法は、撮像対象の光学像を結像させるレンズと、このレンズにより結像された光学像を電気信号に変換する撮像素子と、この撮像素子を保持する基板と、前記撮像素子を光学的にカバーするとともに前記レンズを保持するマウントを有する撮像装置、この撮像装置前方に設置した試験チャートの画像を前記撮像素子を介して画像処理手段に取り込み、この画像処理手段により得られた画像に基づき前記撮像装置の焦点を調整するものにおいて、試験チャートとして、白黒のテストパターンを有する第１の試験チャートと、白色チャートである第２の試験チャートの２種類を使用し、該試験チャートの光学像を前記レンズを通して前記撮像素子に結像させ、前記第１の試験チャートを取り込んだ画像に基づいて合焦する方向と必要調整量を検出するとともに、前記第２の試験チャートを取り込んだ画像の周辺光量比からレンズの傾きの調整方向と必要調整量を検出して、前記撮像素子に対する前記レンズの合焦位置および傾きの双方を調整するようにしたものである。

また、この発明に係る撮像装置の焦点調整装置は、撮像対象の光学像を結像させるレンズと、このレンズにより結像された光学像を電気信号に変換する撮像素子と、この撮像素子を保持する基板と、前記撮像素子を光学的にカバーするとともに前記レンズを保持するマウントを有する撮像装置、前記撮像素子の画像信号を処理する画像処理手段、この画像処理手段によって得られた画像に基づき前記撮像素子と前記レンズとの相対位置を調整するレンズ位置調整手段を備えた撮像装置の焦点調整装置において、前記レンズの前方に試験チャートを配置する試験チャート配置手段と、該試験チャートの光学像を前記レンズを通して前記撮像素子に結像させる投光手段を備え、前記試験チャート配置手段によって、前記レンズの前方に、試験チャートとして、白黒のテストパターンを有する第１の試験チャートと、白色チャートである第２の試験チャートを配置するよう構成し、前記第１の試験チャートを取り込んだ画像に基づいて合焦する方向と必要調整量を検出するとともに、前記第２の試験チャートを取り込んだ画像の周辺光量比からレンズの傾きの調整方向と必要調整量を検出して、前記撮像素子に対する前記レンズの合焦位置および傾きの双方を調整可能に構成したものである。

この発明による撮像装置の焦点調整方法、および、焦点調整装置によれば、焦点方向だけでなく、傾き方向の検出/調整も可能であり、撮像装置の合焦性能を著しく向上させることができるものである。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１を図１〜図９を用いて説明する。
図１はこの発明の実施の形態１による撮像装置の焦点調整装置１０１の概略構成図である。また、図２、図３は、焦点検出時および傾き検出時の装置の様子に関して示すものである。
図１において、１は基板、２はこの基板１に固着され電気的に接続された撮像素子、３はマウント、４はこのマウント３に固定されるレンズ、５は光学フィルタ、１０は試験チャートの光学像をレンズ４を介して撮像素子２に結像させるためのビューア、１１は試験チャート（詳細は後述する）、１２はレンズ４の前方に試験チャート１１を配置し、また試験チャートを入れ替えるための試験チャート入れ替え機構、１３は基板１を介して撮像素子２に電気的に接続された画像処理部で、撮像素子２に取り込まれた試験チャートの画像信号を処理し、撮像画像をもとに合焦性能および周辺光量比を算出する。１４はモニタ、１５はビューア１０の駆動ガイド、１６は駆動ガイドの駆動用モータ、２１はマウント押さえ機構である。

実施の形態１の撮像装置の焦点調整装置１０１は以上のように構成され、焦点検出を行う際は、試験チャート１１として、白黒のテストチャートを用い、図２のように、ビューア１０からの透過光を試験チャート１１にあて、そのコントラストをもとに、焦点位置の検出を行う。

また、傾き角の検出を行う際は、試験チャートとして、白黒のテストチャートである試験チャート１１の替わりに、白色チャートを使用し、この白色チャートの白画像を撮像素子２に取り込み、その周辺光量比をもとにして傾きを検出する。
すなわち、図３に示すように、一般に、入射角θの光の結像の光量（照度）Ｅ_１は、軸上照度Ｅ_０にcos⁴θを乗じたものであり、レンズ４が水平の場合は、周辺の光量比は相互に均等となるが、レンズ４もしくは撮像素子２に傾きが存在する場合は、周辺で互いに光量が異なることになる。したがって、この周辺光量比をもとにして、傾き角の検出を行うことができる。

ここで、この実施の形態１においては、白色チャートの白画像を取り込むにあたっては、図４に示すように、焦点検出で用いた白黒のテストチャート１１を取り除き、ビューア１０からの光（白色光）を撮像素子２に取り込むようになされており、この試験チャートの入れ替えは、試験チャートの入れ替え機構１２により、容易に行なうことが可能となっている。

また、白画像を取り込む際は、ビューア１０を支える駆動ステージがレンズ４側に近づくようになっている。すなわち、この場合、白画像の大きさとしては、外乱光が入射しないようにするため、レンズ４の開口角全体を覆わなければならず、焦点検出位置で調整を行う場合、焦点検出時の白黒チャート〜レンズ間距離１７（図２参照）は、通常、３００〜６００ｍｍ程度であり、焦点検出位置で白色チャート（ビューア）が必要な場合、非常に大きいビューアが必要となる。そのため、図４に示すように、ビューア１０の位置を駆動させ、レンズ側に近づけ、レンズ４の開口角全体を覆うようにしている。

以上のようにして撮像素子２に取り込まれた試験チャートの撮像画像に基づき、画像処理部１３が合焦性能及び周辺光量比を算出する。

ここで、レンズ位置を３次元的に焦点方向及び傾き方向に調整する方法としては、特願２００３−１４９７１７号のように、偏芯ピンを駆動させレンズ位置を調整する方法、特願２００４−０３７３４０号のように、マウントを熱変形させレンズ位置を調整する方法等が挙げられる。
ここでは、特願２００４−０３７３４０号における方法を一例として、レンズ位置を焦点方向及び傾き方向に調整する方法を以下、具体的に説明する。

図５は、レンズの姿勢制御部及び画像処理部の構成の一例を示すもので、４２はレンズの傾き及び焦点調整機構、４３は撮像素子の傾き調整機構であり、焦点方向及び傾き方向にレンズ位置を３次元的に調整することが可能となっている。また、４１はビーム光、４５はビーム光の回転機構であり、マウント３の周上に沿って、ビームを照射し、マウント３を加熱できるようになっている。また、４４は基板であり、撮像装置の基板１からの電気信号を画像処理装置１３に取り込み、モニタ１４に画像を映し出すようになっている。

次に、レンズ位置の調整手順について説明する。
（１）マウント３と撮像素子２の位置合わせ、固定。
図６に示すように、マウント３を撮像素子２が固着してある基板１上に設置し、白黒のテストパターンを有する試験チャート１１の画像を、レンズ４、光学フィルタ５を介して撮像素子２に取り込み、位置合わせ（光軸ＸＹ調整）した後、マウント３と基板１を接着等により固定した後、合焦性能を検出する。

（２）合焦性能の検出
合焦性能を検出した結果、規格値を満足していない場合、レンズ位置を焦点方向に微動させ、合焦する方向の検出を行う。すなわち、図５の調整機構４２を用いて、マウント３に外力を加え、マウント３を弾性範囲内で変形させ、レンズ４と撮像素子２との相対位置を変化させながら、合焦する方向及び必要調整量を計算する。
ここで、相対位置を変化させながら、レンズ４の調整方向、調整量を求める際の方法を図７を用いて詳細に説明する。
図７において、５０は焦点位置、５１ａ、５１ｂはレンズ４から撮像素子２までの距離（Ｌ１、Ｌ１−ΔＸ）、５２ａ、５２ｂは試験チャート１１からレンズ４までの距離（Ｌ２、Ｌ２−ΔＸ）、５３は試験チャート１１から撮像素子２までの距離（Ｌ）、５４はマウントに外力を加えた際のレンズ４の変位（ΔＸ）を示す。

図７（ａ）に示すように、仮に、撮像装置の合焦位置５０が、撮像素子２からレンズ４の側にずれていたとする。この場合、試験チャート１１の撮影画像は広がって撮像素子２に投影されるため、撮影した画像は不明瞭なものとなる。
ここで、マウント３に外力を加えてレンズ４を撮像素子２の方向に変位させた場合、図７（ｂ）に示すように合焦位置５０は、撮像素子２の方向に移動して投影像の広がりは抑制され、撮像素子２の撮影画像は、外力を加える前と比較して明瞭なものとなる。
また、外力を加えた状態で、逆に合焦位置５０がレンズ４と逆方向にずれていた場合、マウント３に外力を与えてレンズ４を撮像素子２の方向に変位させると、撮影画像はさらに不明瞭となることから、レンズ４の調整方向は試験チャート１１の方向と判断される。

（３）周辺光量比の調査
次に、図４に示すように、ビューア１０をレンズ４に近づけ、かつ試験チャートの入れ替え機構１２を取り除き、周辺光量比を調査、規定の周辺光量比が得られているかどうかを確認する。ここで、合焦性能、周辺光量比共に、規格の範囲である場合、調整を終了し、ワークを取り出す。
規格の範囲でない場合、マウント３に外力を与え、図５に示す調整機構４２、４３により保持したマウント３に傾きが調整できるよう外力を加え、マウント３を弾性範囲内で変形させ、レンズ４と撮像素子２との相対位置を変化させながら、傾きの調整方向及び必要調整量を計算する。

相対位置を変化させながら、レンズ４の傾き方向の調整を行う際の方法を図８を用いて説明する。図８において、３１は撮像素子２の中心位置、３２ａ、３２ｂは撮像素子の周辺光量比取り込み位置、３３ａ、３３ｂは撮像素子の周辺光量比取り込み位置でのビーム入射角、３４は、撮像素子２に対するレンズ４の傾きを示す。

図８（ａ）に示すように、マウントとレンズの間に傾きがある場合、撮像素子の３２ａ、３２ｂにおける周辺光量比が異なることになる。そのため、マウント３に外力を与えて、図８（ｂ）のようにレンズ位置を調整し、周辺光量比が均等になるよう、検出を行う。

（４）レンズ位置の調整
上記（２）、（３）の結果、合焦性能、周辺光量比のどちらかを満足していない場合、（２）、（３）にて調査した合焦方向に沿って、外力を加える。次にマウントの薄肉部を加熱し、レンズの位置調整を行う。

上記（４）のレンズ位置の調整の結果、規定の性能（合焦性能/白色光量比）が得られたかどうか、再度、調査を行う。規定の性能（合焦性能/白色光量比）が得られていた場合、調整を終了し、ワークを取り出す。
規定の性能が得られていない場合、再度、レンズ位置の調整を行う。

以上のように実施の形態１の焦点調整方法および焦点調整装置によれば、レンズ位置を焦点方向だけでなく、傾き方向にも調整できる。

なお、図７では、レンズ位置を調整する場合について述べたが、撮像素子２の位置を動かすことにより、位置を検出してもよい。

また、焦点方向の検出において、撮像素子２やレンズ４ではなく、ビューア位置を移動させることにより、合焦位置を計算することもできる。

また、照明として、ビューア１０による透過照明を用いる構成としたが、図９に示すように、透過照明でなく、周囲から蛍光照明２２をあてる構成とし、白画像調整時は、白色の試験チャートを、合焦性能検出時は、白黒チャートを照らすようにしてもよい。
この場合、白色チャート（白紙等）を試験チャートとして試験チャート入れ替え機構１２に挿入し、入れ替えを行う構成とする。

実施の形態２．
図１０に、この発明の実施の形態２における撮像装置の焦点調整装置１０３の構成を示す。この実施の形態２においては、ビューア位置を周辺光量比の検出が容易に可能な位置１８に固定する。また、ここで用いる試験チャート１１は、中央部分のみ白黒チャートとなっており、周辺部は白色チャートとなっている。そして、微小レンズ（短焦点レンズ）２３が、撮像装置のレンズ４と試験チャート１１の間で、光軸上の中央位置付近に設置されている。その他の装置構成は、実施の形態１と同様である。

レンズ４と試験チャート１１間の距離１８は、周辺光量比が検出できる位置に設定されており、微小レンズ２３の形状は、チャート位置にて焦点位置となるよう、設定されている。また、微小レンズの大きさ（有効径）は、試験チャート１１の中央部分の白黒チャート部のみ撮像装置に取得できるようになっている。

本チャートの画像を撮像装置に取り込んだ場合、撮像装置の中央付近では白黒チャートの、周辺部では白色チャートの画像を取り込むこととなる。ここで、合焦性能の検出は、取り込んだ白黒チャートのコントラストをもとに、レンズ傾きの検出は、取り込んだ白色チャートの輝度差をもとに行う。

この実施の形態２の方法および装置によれば、ビューア位置の移動、試験チャートの交換なしに、一度に合焦性能及びレンズ傾きの検出が可能となる。レンズ位置の調整方法は、実施の形態１と同様である。

実施の形態３．
図１１に、この発明の実施の形態３における撮像装置の焦点調整装置１０４の構成を示す。この実施の形態３においては、ビューア位置を白黒チャートの検出が容易な位置１７に固定する。また、周辺光量比を検出する位置１８に、周上（円周上）のビューア２６を設置する。ここで用いる試験チャート１１は、中央部分のみ白黒チャートとなっている。その他の装置構成は、実施の形態１と同様である。

本チャートの画像を撮像装置に取り込んだ場合、撮像装置の中央付近では白黒チャートの、周辺部では白チャートの画像を取り込むこととなる。ここで、合焦性能の検出は、取り込んだ白黒チャートのコントラストから、レンズ傾きの検出は、取り込んだ白チャートの輝度差をもとに行う。

この実施の形態３の方法および装置によっても、ビューアの位置移動、試験チャートの交換なしに、一度に合焦性能及びレンズ傾きの検出が可能となる。レンズ位置の調整方法は、実施の形態１と同様である。

実施の形態４．
図１２に、この発明の実施の形態４における撮像装置の焦点調整装置の構成を示す。
この実施の形態４においては、撮像装置のレンズ４と試験チャート１１の間に、リレーレンズ（短焦点レンズ）２７を設置し、リレーレンズ位置を前後左右に調整する機構２８を備えつける構成としている。その他の装置構成は、実施の形態２と同様である。

焦点調整の場合は、リレーレンズ２７の調整機構２８により、リレーレンズ位置を上下方向に動かし、合焦位置を探索する。すなわち、合焦時のリレーレンズ２７の可動量を基に、調整を行う。
すなわち、図１３において、６０は焦点位置、６１ａ、６１ｂは撮像素子２とレンズ４間の距離（Ｌ３）、６２ａ、６２ｂはレンズ４とリレーレンズ２７間の距離（Ｌ２、Ｌ２＋Δｙ）、６３ａ、６３ｂは、リレーレンズ２７と試験チャート１１間の距離（Ｌ１、Ｌ１−Δｙ）、６４は撮像素子２と試験チャート１１間の距離、６５はリレーレンズ２７の位置調整量（Δｙ）を示す。
図１３（ａ）に示すように、仮に、撮像装置の合焦位置６０が、撮像素子２からレンズ４の側にずれていたとする。この場合、試験チャート１１の撮像画像は広がって撮像素子２に投影されるため、撮影した画像は不明瞭なものとなる。
ここで、図１３（ｂ）に示すように、リレーレンズ２７の位置を動かし、合焦位置６０が撮像素子２上に合うようにすると投影像の広がりは抑制され、撮影画像は明瞭なものとなる。このリレーレンズ２７の調整量Δｙを基にして、レンズ位置の調整量を算出する。

また、傾き調整の際は、リレーレンズ２７のレンズ位置を傾斜方向に調整し、白画像を検査した結果を基に、レンズ傾きの調整方向を検出する。

この実施の形態４の方法および装置によっても、ビューア位置の移動、チャートの交換なしに、一度に合焦性能及びレンズ傾きの検出が可能となる。レンズ位置の調整方法は、実施の形態１と同様である。

尚、以上の実施の形態では、撮像装置の構成として、レンズが１枚の場合について述べたが、レンズ枚数が複数の場合においても同様に適用することが可能である。

この発明の実施の形態１による撮像装置の焦点調整装置の概略構成図である。この発明の実施の形態１による撮像装置の焦点調整装置の焦点調整時の説明図である。この発明の実施の形態１による撮像装置の焦点調整装置の傾き検出時の説明図である。この発明の実施の形態１による撮像装置の焦点調整装置の傾き調整時の説明図である。この発明の実施の形態１における撮像装置のレンズの姿勢制御機構の一例を示す構成図である。この発明の実施の形態１における撮像装置の焦点確認時の装置状態を示す図である。この発明の実施の形態１における撮像装置の焦点調整の説明図である。この発明の実施の形態１における撮像装置の傾き調整の説明図である。この発明の実施の形態１の撮像装置の焦点調整装置の変形例を示す図である。この発明の実施の形態２の撮像装置の焦点調整装置の概略構成図である。この発明の実施の形態３の撮像装置の焦点調整装置の概略構成図である。この発明の実施の形態４の撮像装置の焦点調整装置の概略構成図である。この発明の実施の形態４における撮像装置の焦点調整方法の説明図である。

符号の説明

１基板、２撮像素子、３マウント、４レンズ、５光学フィルタ、
１０ビューア、１１試験チャート、１２試験チャート入れ替え機構、
１３画像処理部、１４モニタ、１５ビューア駆動ガイド、
１６駆動モータ、
１７撮像装置- レンズ間距離（焦点調整時）、
１８撮像装置- レンズ間距離（周辺光量比取得時）、
２１マウント押さえ機構、２２蛍光照明、２３微小レンズ、
２４ビューア、２６周上照明、２７リレーレンズ、４１ビーム光、
４２、４３レンズ位置調整機構、４５ビーム回転機構、
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５焦点調整装置。

Claims

撮像対象の光学像を結像させるレンズと、このレンズにより結像された光学像を電気信号に変換する撮像素子と、この撮像素子を保持する基板と、前記撮像素子を光学的にカバーするとともに前記レンズを保持するマウントを有する撮像装置、この撮像装置前方に設置した試験チャートの画像を前記撮像素子を介して画像処理手段に取り込み、この画像処理手段により得られた画像に基づき前記撮像装置の焦点を調整するものにおいて、
試験チャートとして、白黒のテストパターンを有する第１の試験チャートと、白色チャートである第２の試験チャートの２種類を使用し、該試験チャートの光学像を前記レンズを通して前記撮像素子に結像させ、前記第１の試験チャートを取り込んだ画像に基づいて合焦する方向と必要調整量を検出するとともに、前記第２の試験チャートを取り込んだ画像の周辺光量比からレンズの傾きの調整方向と必要調整量を検出して、前記撮像素子に対する前記レンズの合焦位置および傾きの双方を調整するようにしたことを特徴とする撮像装置の焦点調整方法。
撮像対象の光学像を結像させるレンズと、このレンズにより結像された光学像を電気信号に変換する撮像素子と、この撮像素子を保持する基板と、前記撮像素子を光学的にカバーするとともに前記レンズを保持するマウントを有する撮像装置、前記撮像素子の画像信号を処理する画像処理手段、この画像処理手段によって得られた画像に基づき前記撮像素子と前記レンズとの相対位置を調整するレンズ位置調整手段を備えた撮像装置の焦点調整装置において、前記レンズの前方に試験チャートを配置する試験チャート配置手段と、該試験チャートの光像を前記レンズを通して前記撮像素子に結像させる投光手段を備え、前記試験チャート配置手段によって、前記レンズの前方に、試験チャートとして、白黒のテストパターンを有する第１の試験チャートと、白色チャートである第２の試験チャートを配置するよう構成し、前記第１の試験チャートを取り込んだ画像に基づいて合焦する方向と必要調整量を検出するとともに、前記第２の試験チャートを取り込んだ画像の周辺光量比からレンズの傾きの調整方向と必要調整量を検出して、前記撮像素子に対する前記レンズの合焦位置および傾きの双方を調整可能に構成したことを特徴とする撮像装置の焦点調整装置。
前記試験チャート配置手段は、前記第１の試験チャートと第２の試験チャートの入れ替え機構を備えたことを特徴とする請求項２に記載の撮像装置の焦点調整装置。
前記投光手段は移動機構を具備し、前記レンズに対する距離が調整可能に構成されたことを特徴とする請求項２に記載の撮像装置の焦点調整装置。
前記投光手段はビューアであって、前記第２の試験チャートはビューアの透過照明であることを特徴とする請求項２または請求項４に記載の撮像装置の焦点調整装置。
試験チャートを、中央部分が第１の試験チャートとなり周辺部分が第２の試験チャートとなるよう構成し、前記撮像装置のレンズと該試験チャートの間に微小レンズを配置し、該微小レンズを通過する領域に前記第１の試験チャート部が配置され、微小レンズを通過しない領域に前記第２の試験チャート部が配置されるよう構成したことを特徴とする請求項２に記載の撮像装置の焦点調整装置。
第２の試験チャートとして、撮像装置のレンズと第１の試験チャートの間に周上の白色照明を配置したことを特徴とする請求項２に記載の撮像装置の焦点調整装置。
撮像装置のレンズと試験チャートの間に短焦点レンズを配置し、この短焦点レンズの位置を移動可能としたことを特徴とする請求項２に記載の撮像装置の焦点調整装置。