JP2006074258A - トリミング撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成により、光学式ズームレンズとほぼ同等のズーム効果を確保しつつ、画質劣化を抑制可能なトリミング撮像装置を提供する。
【解決手段】 少なくとも２つの異なる焦点距離を有する多焦点変倍光学系と、この多焦点変倍光学系により結像された被写体像を電子画像化する撮像手段と、この撮像手段の出力信号を電子画像処理し、多焦点変倍光学系の各焦点距離における被写体画像をそれぞれ形成する第１の画像処理手段と、この第１の画像処理手段により形成された被写体画像を原画像とし、該原画像をトリミングする第２の画像処理手段とを備え、上記多焦点変倍光学系の各焦点距離の間の焦点距離に相当する画角の被写体画像を、第２の画像処理手段で形成されたトリミング画像によって補完するトリミング撮像装置。
【選択図】 図１

Description

小型情報端末機等に搭載されるトリミング撮像装置に関する。

近年では、携帯電話やＰＤＡ等の個人向け小型情報端末機に、小型のカメラモジュールが搭載されるようになってきた。このような小型情報端末機に搭載される光学系は、小型、特に薄型であることが最重要視されている。現状では、単焦点レンズを使用し、画角（撮像範囲）をトリミングすることによって仮想的に望遠撮影（拡大撮影）できるトリミング（デジタルズーム）機能を付与しているものが多い。また、トリミング機能を付与せず、薄型化した光学式ズームレンズも提案されている。光学式ズームレンズでは、少なくとも１つの可動レンズ群を備え、該可動レンズ群を移動させて焦点距離を変えることにより、画角を変更している。
特開平１０−２０６７３２号公報 特開２００２−２４４０３０号公報

しかしながら、単焦点レンズを用いたトリミング方式では、単焦点レンズにより形成された光学像を電子画像化し、その電子画像（原画像）の一部を少なくとも略連続的に寸法を変更しながら抜き出して拡大表示しているため、拡大表示時に得られる電子画像は原画像（拡大していない元の電子画像）よりも撮像画素数が少なくなり、原画像と同サイズに拡大表示すると、画像が粗くなってしまう欠点がある。この画質劣化と拡大表示時の変倍比とは相関しており、変倍比が大きくなるにつれて画質劣化が顕著になる。

一方、光学式ズームレンズでは、可動レンズ群を少なくとも略連続的に移動させるモータやカム等の駆動系が必要なため、レンズ機構が複雑化及び大型化してしまう傾向にある。光学式ズームレンズが大型であると、搭載対象である情報端末機の小型軽量化を図るうえで不利である。また光学式ズームレンズでは、可動レンズ群を移動させることから、偏心等の影響による性能劣化が問題になっている。特に光学式ズームレンズを小型化しようとすると、性能劣化が顕著となる。このような問題を解消する手段としては、光学的に広角撮影と望遠撮影を切替可能な２焦点切替光学系を用いることが考えられるが、２焦点切替光学系は２つの焦点距離しか使用できないため、ズームレンズとしては必ずしも満足できるものではない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、簡単な構成により、光学式ズームレンズとほぼ同等のズーム効果を確保しつつ、画質劣化を抑制可能なトリミング撮像装置を提供することを目的とする。

本発明は、２焦点切替光学系とトリミング（デジタルズーム）とを最適に組み合わせることに着目し、機械的な構成及びレンズ構成を簡素化しつつ、従来の光学式ズームレンズと同等のズーム効果を得ようとするものである。

本発明によるトリミング撮像装置は、少なくとも２つの異なる焦点距離を有する多焦点変倍光学系と、この多焦点変倍光学系により結像された被写体像を電子画像化する撮像手段と、この撮像手段の出力信号を電子画像処理し、多焦点変倍光学系の各焦点距離における被写体画像をそれぞれ形成する第１の画像処理手段と、この第１の画像処理手段により形成された被写体画像を原画像とし、該原画像をトリミングする第２の画像処理手段とを備え、多焦点変倍光学系の各焦点距離の間の焦点距離に相当する画角の被写体画像を、第２の画像処理手段が形成したトリミング画像によって補完することを特徴としている。

上記トリミング撮像装置には、画角を切替設定する画角設定手段を備えることが実際的である。第２の画像処理手段は、設定された画角に対応する焦点距離よりも小さい側で最も近い多焦点変倍光学系の焦点距離位置で第１の画像処理手段により形成された被写体画像を原画像とし、同設定された画角に応じたトリミング画像を形成することが好ましい。これにより、トリミング画像の画質劣化を最小限に抑えることができる。

多焦点変倍光学系は、異なる２つの焦点距離を切替可能な２焦点切替レンズとすることができる。２焦点切替レンズを用いれば、レンズ及びその周辺機構の構成が最も簡単になる。

多焦点変倍光学系を２焦点切替レンズとする場合、２焦点切替レンズは少なくとも１つの固定レンズ群と、この固定レンズ群に対して移動自在な可動レンズ群とを有することが好ましい。そして、焦点距離の切替精度を高めるため、短焦点距離端及び長焦点距離端の二位置に可動レンズ群の移動を規制する規制機構を備え、この規制機構と可動レンズ群が二位置でそれぞれ当接することにより２焦点レンズの焦点距離が切り換わることが好ましい。

第２の画像処理手段により形成されるトリミング画像のトリミング率をＤｍ、２焦点切替光学系の短焦点距離及び長焦点距離をｆ１、ｆ２（ｆ１＜ｆ２）としたとき、次の条件式（１）を満たすことが好ましい。上記トリミング率Ｄｍは、Ｄｍ＝（原画像の寸法／トリミング画像の寸法）で定義されている。
（１） １．０＜Ｄｍ＜ｆ２／ｆ１

条件式（１）の上限を超えると、トリミングによる画質劣化が大きくなってしまい、条件式（１）の下限を下回ると、ズーム比を十分に確保できない。条件式（１）を見たすことにより、十分なズーム比を確保しつつ、トリミングによる画質劣化を最小限に抑えることができる。

また、多焦点変倍光学系の長焦点距離ｆ２に対して次の条件式（２）を満たす焦点距離ｆ３に相当する画角をトリミングすることが好ましい。
（２） ｆ３＝Ｄｍ*ｆ２

条件式（２）を満たす焦点距離ｆ３によれば、トリミングによる画質劣化を抑えながら、光学系全体でトリミング率Ｄｍ×（ｆ２／ｆ１）のズーム比を得ることができる。

本発明によれば、多焦点変倍光学系の各焦点距離の間の焦点距離に相当する画角の被写体画像をトリミング画像（デジタルズーム画像）で補完するので、多焦点変倍光学系のレンズ構成及びその周辺機構（可動機構）の機械的構成を簡素化でき、また、多焦点変倍光学系として２焦点切替光学系を用いた場合にも十分なズーム効果を得ることができる。さらに、装置の小型軽量化にも貢献できる。

また本発明によれば、多焦点変倍光学系の各焦点距離の被写体画像をトリミング用の原画像とし、設定画角に応じてトリミングに用いる原画像が選択されるので、単焦点レンズを用いてトリミングを行なう場合よりも、画質劣化を大幅に低減することができる。

図１は、本発明の一実施形態であるトリミング撮像装置の主要構成を示す模式ブロック図である。本トリミング撮像装置は、多焦点変倍光学系Ｌ、撮像素子（ＣＣＤ）２、駆動装置３、駆動制御回路４、制御回路５、画像処理回路６、画角設定手段８及び表示手段（画像モニタ）９を備えている。

多焦点変倍光学系Ｌは、異なる２つの焦点距離ｆ１、ｆ２を切替可能な２焦点切替レンズであり、図２に示すように被写体側から順に、少なくとも１つの固定レンズ群Ｌ１と、この固定レンズ群Ｌ１に対して移動自在な可動レンズ群Ｌ２とを有している。固定レンズ群Ｌ１は装置内に固定された支持枠１１により支持され、可動レンズ群Ｌ２は固定枠１３に保持された支持枠１２により支持されている。固定枠１３は、固定レンズ群Ｌ１の支持枠１１に固定されており、該固定枠内面に形成された不図示のガイド溝を介して、支持枠１２及び可動レンズ群Ｌ２を固定レンズ群Ｌ１の光軸方向に沿って移動自在に保持している。本実施形態では支持枠１１と固定枠１３を別体で設けているが、支持枠１１と固定枠１３は一体であってもよい。支持枠１１と固定枠１３が一体であれば、組立時の誤差要因を少なくすることができる。

可動レンズ群Ｌ２は、駆動装置３からの駆動力を受けて、固定レンズ群Ｌ１から離れて支持枠１２の一端部１２ａが固定枠１３に当接する図２の長焦点距離端（テレ端）ｆｔと、固定レンズ群Ｌ１に近づいて支持枠１２の他端部１２ｂが固定枠１３に当接する短焦点距離端（ワイド端）ｆｓとに移動する。この可動レンズ群Ｌ２は、その支持枠１２が固定枠１３に当接することで移動規制され、可動レンズ群Ｌ２をテレ端ｆｔ及びワイド端ｆｓに精度良く位置させることができる。これにより、偏心等の影響による性能劣化を抑えられ、多焦点変倍光学系Ｌの焦点距離ｆ１、ｆ２を高精度に切替可能である。多焦点変倍光学系Ｌの焦点距離ｆ１、ｆ２と画角θ１、θ２はそれぞれ対応しており、この多焦点変倍光学系Ｌの短焦点距離ｆ１により画角θ１が与えられ、長焦点距離ｆ２により画角θ２が与えられている。

撮像素子２は、多焦点変倍光学系Ｌによって結像された被写体像を電子画像化し、その対応する撮像信号を画像処理回路６へ出力する。画像処理回路６は、撮像素子２からの撮像信号を入力して各種画像処理を実行し、表示手段９に表示可能な被写体画像を形成する第１の画像処理回路６Ａと、第１の画像処理回路６Ａで形成された被写体画像をトリミングする第２の画像処理回路６Ｂとを備えている。第２の画像処理回路６Ｂは、別言すれば、トリミング（デジタルズーム）処理回路である。画角設定手段８は、使用者が画角θを切替設定するための操作部材であり、制御回路５に接続されている。

制御回路５は、画角設定手段８で設定された画角θの被写体画像が得られるように、撮像素子２、モータ駆動制御回路４及び画像処理回路６を動作させる。図３は、画角θ（θ１〜θ５）に対応する焦点距離ｆ（ｆ１〜ｆ５）と、各焦点距離ｆ１〜ｆ５で得られる被写体画像の関係を説明する概念図である。図中の黒丸印で示す焦点距離ｆ１及びｆ２は、多焦点変倍光学系Ｌの短焦点距離及び長焦点距離であり、該焦点距離ｆ１及びｆ２であるとき多焦点変倍光学系Ｌの可動レンズ群Ｌ２はそれぞれ短焦点距離端ｆｓ及び長焦点距離端ｆｔに位置する。また、図中の白丸印で示す焦点距離ｆ３、ｆ４、ｆ５は、第２の画像処理回路６Ｂで形成されたトリミング画像を被写体画像として取得する、デジタルズームポジションの一例である（但し、ｆ１＜ｆ４＜ｆ２＜ｆ５＜ｆ３）。ここで、焦点距離ｆ３は、第２の画像処理回路６Ｂにより最大トリミング率の被写体画像が得られる最大ズームポジションである。

上述したように多焦点変倍光学系Ｌが形成した被写体像は、撮像素子２で電子画像化されて撮像信号となった後、第１の画像処理回路６Ａにより、表示手段９に表示可能な被写体画像とされる。制御回路５は、多焦点変倍光学系Ｌの短焦点距離ｆ１及び長焦点距離ｆ２に対応する画角θ１及び画角θ２が設定された場合は、第１の画像処理回路６Ａで取得した被写体画像を、第２の画像処理回路６Ｂでトリミングさせずに、原画像のまま表示手段９に出力させる。表示手段９には、多焦点変倍光学系Ｌが形成した被写体画像（トリミングなし）が表示される。一方、多焦点変倍光学系Ｌの短焦点距離ｆ１と長焦点距離ｆ２の間の焦点距離、例えば焦点距離ｆ４に対応する画角θ４が設定された場合は、第１の画像処理回路６Ａで取得した被写体画像を第２の画像処理回路６Ｂで画角θ４に合わせてトリミングさせ、トリミング画像（デジタルズーム画像）を表示手段９に表示させる。同様に、多焦点変倍光学系Ｌの長焦点距離ｆ２を超える焦点距離、例えば焦点距離ｆ３、ｆ５に対応する画角θ３、θ５が設定された場合も、第１の画像処理回路６Ａで取得した被写体画像を第２の画像処理回路６Ｂで画角θ３、θ５に合わせてトリミングさせ、トリミング画像を表示手段９に表示させる。

条件式（１）は、第２の画像処理回路６Ｂにより形成されたトリミング画像の原画像に対するトリミング率Ｄｍの適正範囲を規定している。トリミング率Ｄｍは、Ｄｍ＝（原画像の寸法／トリミング画像の寸法）で定義される。条件式（１）の上限を超えると、トリミングによる画質劣化が大きくなってしまい、条件式（１）の下限を下回ると、十分なズーム比を確保できない。条件式（１）を満たすことにより、十分なズーム比を確保しつつ、トリミングによる画質劣化を最小限に抑えることができる。最も望ましくは、トリミング率Ｄｍを多焦点変倍光学系Ｌのズーム比（ｆ２／ｆ１）の（１／２）乗根とすることである。

条件式（２）は、多焦点変倍光学系Ｌの長焦点距離ｆ２に対するデジタルポジションｆ３を規定している。別言すれば、長焦点距離ｆ２における多焦点変倍光学系Ｌの被写体画像を原画像としたときに得られるデジタルズームポジションの上限を規定している。条件式（２）を満たせば、トリミングによる画質劣化を抑えながら、光学系全体でトリミング率Ｄｍ×（ｆ２／ｆ１）のズーム比を得ることができる。これは、単焦点レンズを使用し、トリミングのみで同じズーム比Ｄｍ×（ｆ２／ｆ１）を得る場合に比べて、（ｆ２／ｆ１）の２乗分だけ画質の劣化を低減できることを意味している。

次に、図４に示すフローチャートを参照し、本トリミング撮像装置の動作について説明する。本トリミング撮像装置の動作は制御回路５によって制御される。制御回路５は、先ず、多焦点変倍光学系Ｌの可動レンズ群Ｌ２の現在位置と、画角設定手段８により設定された画角θを認識し（Ｓ１）、設定された現在の画角θに応じた制御を行なう。

先ず、画角設定手段８により設定された現在の画角θがθ１≦θ＜θ２を満たしている場合、すなわち、現在の画角θに対応する焦点距離ｆがｆ１≦ｆ＜ｆ２を満たしている場合について説明する。

この場合に制御回路５は、先ず、モータ駆動制御回路４及び駆動装置３を介して、多焦点変倍光学系Ｌの可動レンズ群Ｌ２を短焦点距離端ｆｓに移動させる（Ｓ２）。可動レンズ群Ｌ２は、その支持枠１２と固定枠１３が当接することにより移動規制されるため、短焦点距離端ｆｓで精度良く停止させることができる。前述のＳ１で認識した多焦点変倍光学系Ｌの可動レンズ群Ｌ２の現在位置が元々、短焦点距離端ｆｓであった場合には、何も実行せず、該可動レンズ群Ｌ２を短焦点距離端ｆｓで保持する。次に、制御回路５は、多焦点変倍光学系Ｌにより結像された被写体像を撮像素子２で撮像させ、該撮像素子２からの出力信号を第１の画像処理回路６Ａにて画像処理させる（Ｓ３）。続いて、制御回路５は、第２の画像処理回路６Ｂに、設定された画角θに応じたトリミング処理を実行させる（Ｓ４）。第２の画像処理回路６Ｂは、設定された画角θがθ１＜θ＜θ２を満たしている場合は、第１の画像処理回路６Ａで形成された被写体画像をトリミングし、画角θに対応するトリミング画像を表示手段９へ出力する。一方、設定された画角θが画角θ１である場合は、トリミングを行なわず、第１の画像処理回路６Ａで形成された被写体画像を原画像のまま表示手段９へ出力する。これにより、表示手段９には、画角θの被写体画像が表示される（Ｓ５）。

次に、画角設定手段８により設定された現在の画角θがθ≧θ２を満たしている場合、すなわち、現在の画角θに対応する焦点距離ｆがｆ≧ｆ２を満たしている場合について説明する。

この場合に制御回路５は、先ず、モータ駆動制御回路４及び駆動装置３を介して、多焦点変倍光学系Ｌの可動レンズ群Ｌ２を長焦点距離端ｆｔに移動させる（Ｓ６）。可動レンズ群Ｌ２は、その支持枠１２と固定枠１３が当接することにより移動規制されるため、長焦点距離端ｆｔで精度良く停止させることができる。前述のＳ１で認識した多焦点変倍光学系Ｌの可動レンズ群Ｌ２の現在位置が元々、長焦点距離端ｆｔであった場合には、何も実行せず、該可動レンズ群Ｌ２を長焦点距離端ｆｔで保持する。次に、制御回路５は、多焦点変倍光学系Ｌにより結像された被写体像を撮像素子２で撮像させ、該撮像素子２からの出力信号を第１の画像処理回路６Ａにて画像処理させる（Ｓ７）。続いて、制御回路５は、第２の画像処理回路６Ｂに、設定された画角θに応じたトリミング処理を実行させる（Ｓ８）。第２の画像処理回路６Ｂは、設定された画角θがθ＞θ２を満たしていれば、第１の画像処理回路６Ａで形成された被写体画像をトリミングし、画角θに対応するトリミング画像を表示手段９へ出力する。一方、設定された画角θが画角θ２である場合は、トリミングを行なわず、第１の画像処理回路６Ａで形成された被写体画像を原画像のまま表示手段９へ出力する。これにより、表示手段９には、画角θの被写体画像が表示される（Ｓ９）。

以上の本実施形態によれば、多焦点変倍光学系Ｌによる光学像と画像処理回路６によるトリミング画像とを組み合わせ、多焦点変倍光学系Ｌの焦点距離ｆ１、ｆ２の間の焦点距離における被写体画像をトリミング画像で補完するので、従来の光学式ズームレンズとほぼ同等のズーム効果を確保しつつ、多焦点変倍光学系Ｌのレンズ構成やその周辺機構の機械的な構成を簡素化でき、装置の小型軽量化に貢献できる。

また本実施形態では、ｆ１＜ｆ＜ｆ２におけるトリミング画像は多焦点変倍光学系Ｌの短焦点距離ｆ１での被写体画像を原画像として形成し、ｆ≧ｆ２におけるトリミング画像は多焦点変倍光学系Ｌの長焦点距離ｆ２での被写体画像を原画像として形成する。つまり、設定された画角θに対応する焦点距離ｆよりも小さい側で該焦点距離ｆに最も近い多焦点変倍光学系Ｌの焦点距離における被写体画像を、トリミング処理の原画像として用いる。このようにトリミング処理の原画像を多焦点変倍光学系Ｌの各焦点距離で取得し、画角設定手段８で設定された画角θに応じてトリミング処理に用いる原画像を選択すれば、単焦点レンズを用いてトリミング処理を実行する場合よりも、トリミング処理による画質劣化を低減することができる。

本実施形態では、多焦点変倍光学系Ｌとして、異なる２つの焦点距離を有する２焦点切替レンズを用いているが、３以上の焦点距離を有する多焦点変倍光学系を用いてもよいのは勿論である。本実施形態のように２焦点切替レンズを用いれば、レンズ構成及びその周辺構成（駆動系など）が最も簡単になる。

本発明の一実施形態であるトリミング撮像装置の主要構成を示すブロック図である。 図１の多焦点変倍光学系を示す模式図である。 光学ズームとトリミング（デジタルズーム）の組み合わせを説明する概念図である。 図１に示すトリミング撮像装置の動作を説明するフローチャートである。

符号の説明

２ 撮像素子（ＣＣＤ）
３ 駆動装置
４ 駆動制御回路
５ 制御回路
６ 画像処理回路
６Ａ 第１の画像処理回路
６Ｂ 第２の画像処理回路
８ 画角設定手段
９ 表示手段
１１ 支持枠
１２ 支持枠（規制機構）
１３ 固定枠（規制機構）
Ｌ 多焦点変倍光学系
Ｌ１ 固定レンズ群
Ｌ２ 可動レンズ群

Claims (7)

1. 少なくとも２つの異なる焦点距離を有する多焦点変倍光学系と、
   この多焦点変倍光学系により結像された被写体像を電子画像化する撮像手段と、
   この撮像手段の出力信号を電子画像処理し、前記多焦点変倍光学系の各焦点距離における被写体画像をそれぞれ形成する第１の画像処理手段と、
   この第１の画像処理手段により形成された被写体画像を原画像とし、該原画像をトリミングする第２の画像処理手段とを備え、
   前記多焦点変倍光学系の各焦点距離の間の焦点距離に相当する画角の被写体画像を、前記第２の画像処理手段が形成したトリミング画像によって補完することを特徴とするトリミング撮像装置。
2. 請求項１記載のトリミング撮像装置において、画角を切替設定する画角設定手段を備え、前記第２の画像処理手段は、設定された画角に対応する焦点距離よりも小さい側で最も近い前記多焦点変倍光学系の焦点距離位置で前記第１の画像処理手段により形成された被写体画像を原画像とし、同設定された画角に応じたトリミング画像を形成するトリミング撮像装置。
3. 請求項１又は２記載のトリミング撮像装置において、前記多焦点変倍光学系は、異なる２つの焦点距離を切替可能な２焦点切替光学系であるトリミング撮像装置。
4. 請求項３記載のトリミング撮像装置において、前記２焦点切替光学系は、少なくとも１つの固定レンズ群と、この固定レンズ群に対して移動自在な可動レンズ群とを有するトリミング撮像装置。
5. 請求項４記載のトリミング撮像装置において、短焦点距離端及び長焦点距離端の２つの位置に前記可動レンズ群の移動を規制する規制機構をそれぞれ備え、この規制機構と前記可動レンズ群が前記短焦点距離端及び長焦点距離端でそれぞれ当接することにより前記２焦点切替光学系の焦点距離が切り換わるトリミング撮像装置。
6. 請求項３ないし５のいずれか一項に記載のトリミング撮像装置において、前記第２の画像処理手段により形成されるトリミング画像の原画像に対するトリミング率をＤｍ、前記２焦点切替光学系の短焦点距離及び長焦点距離をｆ１、ｆ２（ｆ１＜ｆ２）としたとき、次の条件式（１）を満たすトリミング撮像装置。
   （１） １．０＜Ｄｍ＜ｆ２／ｆ１
7. 請求項６記載のトリミング撮像装置において、前記２焦点切替光学系の長焦点距離ｆ２に対して、次の条件式（２）を満たす焦点距離ｆ３に相当する画角をトリミングするトリミング撮像装置。
   （２）ｆ３＝Ｄｍ*ｆ２

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