JP2007067570A

JP2007067570A - 撮像装置

Info

Publication number: JP2007067570A
Application number: JP2005248252A
Authority: JP
Inventors: Kiriko Yamada; 桐子山田; Yoshitaka Sakurai; 芳隆櫻井; Takanori Ikeuchi; 崇典池内; Kanefumi Kinetsuki; 兼史杵築; Keiji Nishimaki; 恵児西巻
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2005-08-29
Filing date: 2005-08-29
Publication date: 2007-03-15

Abstract

【課題】高解像度かつ高フレームレートの撮像装置を提供する。
【解決手段】撮像素子１０３ａに結像光の反射光が入射するよう可動ミラー１０１を偏向させ、撮像素子１０３ｂに結像光の反射光が入射するよう可動ミラーを偏向させ、撮像素子１０３ｃに結像光の反射光が入射するよう可動ミラーを偏向させて、撮像素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃによりそれぞれ可動ミラーの反射タイミングで撮像光を受光した複数の信号を合成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＣＤ、ＣＭＯＳイメージセンサなどを撮像デバイスとする撮像装置に関する。

近年、ＣＣＤ、ＣＭＯＳイメージセンサなどを撮像デバイスとして動画、静止画を撮像するカメラの高画質化、小型化、低価格化が進んでいる。ＣＭＯＳイメージセンサは、ＣＣＤと比べ、感度が劣るが、約１／１０の消費電力で動作すること、また３．３Ｖの単一電圧で駆動できること、周辺回路を一体化できることなどを大きな特徴とし、デジタルカメラの省電力化と小型化、低価格化に貢献しており、既にＣＭＯＳイメージセンサを採用した実用レベルのデジタルカメラが販売されている。

ＣＣＤ、ＣＭＯＳイメージセンサなどを撮像素子として動画、静止画を撮像するカメラにおいて、ＣＣＤなどにより光電変換した信号をＡ／Ｄ変換し、デジタル的に信号処理する際、人間の目の解像度は暗い方に対して高く、明るい方に対しては低いという特性があるため、光量に対してリニアな感度特性を持つ光電変換した信号を単純にＡ／Ｄ変換しただけでは、Ａ／Ｄ変換のダイナミックレンジを有効に使えないという問題がある。

そこで、撮像デバイスそのもののダイナミックレンジの狭さを解消する手法として、実際の露光量と異なる露光量として撮像し、異なる露光量で撮像した信号を合成することも行われている。この方法には、光学系においてミラーあるいはプリズムによりレンズの結像光を２分割し、それぞれ異なる露光で撮像する方法（例えば下記の特許文献１参照）、同一の撮像デバイス内部において時分割で異なる露光量で撮像した信号を加算して出力する方法などが知られている。

ＣＭＯＳイメージセンサでは、画素単位でＰＤ（フォトダイオード）をリセットすることが可能であるため、露光途中のＰＤをあるレベルでリセットし、リセットレベルより信号が多いＰＤの電荷を部分的に捨ててから、再度露光を開始することによって、感度特性に非直線性を持たせることができ、ダイナミックレンジの向上が可能となる（下記の非特許文献１参照）。また、画素を形成するＰＤの負荷抵抗をＦＥＴで形成することによっても、感度特性に非直線性を持たせることが可能となる。

また、前記光学系によりレンズの結像光を２分割する構造では、複数の撮像素子で撮像した後、合成することで高解像度を得ることができる。また、複数の撮像素子を画素の半ピッチあるいはそれ以下の量だけ位置をずらして配置することにより、得られた複数の画像から撮像素子の画素数より多い情報を得ることができる、画素ずらしによる高解像度化の手法も数多く提案されており、手振れを防止するための、光学系と撮像素子を相対的に変位させる変位手段（振動素子）によって画素ずらしを行う撮像装置も提案されている（下記の特許文献２参照）。
特開平８−１５４２１０号公報（要約書）特開平７−２４０９３２号公報（要約書）映情学技報Ｖｏｌ．２８Ｎｏ．５８/５９

しかしながら、現在、一般に普及している安価なＣＭＯＳイメージセンサを撮像素子とした撮像装置の解像度及びフレームレートは、ＶＧＡクラス(３５万画素程度)で３０[ｆｐｓ]程度であり、ＵＸＧＡクラス（２００万画素程度）では１０[ｆｐｓ]である。そのため、高解像度かつ高フレームレートの撮像装置の実現は困難であった。また、ＣＣＤを撮像素子とした場合でも、ＳＸＧＡクラス（１４５万画素程度）でのフレームレートは最大３０［ｆｐｓ］程度のものが実現されているが、非常に高価である。

本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、高解像度かつ高フレームレートの撮像装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために、撮像し集光して得た撮像光を複数の撮像素子の受光面側に対して順次反射供給し、順次受光した前記複数の撮像素子からそれぞれ出力される撮像信号をフレーム単位で合成することによって高解像度の撮像信号を出力する撮像装置であって、
前記撮像光を受光可能であり、かつ前記複数の撮像素子の受光面側に位置しており、前記複数の撮像素子の受光面側へ前記撮像光を順次反射供給するように順次偏向させる可動ミラーを有する。

また、本発明は上記目的を達成するために、撮像し集光して得た撮像光を複数の撮像素子の受光面側に対して順次反射供給し、順次受光した前記複数の撮像素子からそれぞれ出力される撮像信号をフレーム単位で合成することによって高解像度の撮像信号を出力する撮像装置であって、
前記撮像光を受光可能であり、かつ前記複数の撮像素子の受光面側に位置し、かつ前記複数の撮像素子の受光面側にそれぞれ対応する位置に設けた複数の反射面を備えており、前記複数の撮像素子の受光面側へ前記撮像光を前記複数の反射面をそれぞれ介して順次反射供給するように順次偏向させる可動ミラーを有する。

また、前記可動ミラーは、前記撮像し集光して得た撮像光の光スポットに対して十分大きい反射面を有する。

本発明によれば、可動ミラーと複数の安価な撮像素子を用い、撮像光を可動ミラーによって複数の撮像素子に順次に照射させ、複数の撮像素子からの出力信号を合成することにより、高解像度かつ高フレームレートの撮像装置を安価に提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
＜実施の形態１＞
図１に、実施の形態１における、撮像素子の数を３とした場合の撮像部の構造を示し、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は被写体側から見た正面図、図１（ｃ）は可動ミラーの背面から見た背面図である。撮像部は、可動ミラー１０１、撮像レンズ１０２、撮像素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃから構成される。可動ミラー１０１は２次元に偏向が可能であり、可動ミラー１０１の回転軸と撮像レンズ１０２は中心軸が一致するように配置され、撮像素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃは撮像レンズ１０２の周辺に、撮像面を可動ミラー１０１側、すなわち被写体とは反対側に向けて配置される。

被写体からの光は撮影レンズ１０２を通して結像光となり、可動ミラー１０１によって反射される。可動ミラー１０１は、撮像レンズ１０２によって集光される、被写体からの結像光の大きさに対して充分大きいものとする。可動ミラー１０１は結像光の反射光が撮像素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃに順次に照射されるように偏向を繰り返す。図２（ａ）は撮像素子１０３ａに結像光の反射光が入射するよう可動ミラー１０１を偏向させた場合、図２（ｂ）は撮像素子１０３ｂに結像光の反射光が入射するよう可動ミラー１０１を偏向させた場合、図２（ｃ）は撮像素子１０３ｃに結像光の反射光が入射するよう可動ミラー１０１を偏向させた場合を示している。

図３に撮像素子のフレームレートと露光時間の関係について示す。図３（ａ）は一般的な撮像素子のフレームレートと露光時間である。図３（ｂ）はＣＣＤの蓄積方式であるグローバルシャッター方式の読込時間を示している。ＣＣＤでは、同一時間内に画素内のＰＤへ入射した光を信号電荷として蓄積し、全ての画素を同時に垂直ＣＣＤへ読み出す。図３（ｃ）は一般的なＣＭＯＳイメージセンサの蓄積方式であるローリングシャッター方式の読込時間を示している。一般的なＣＭＯＳイメージセンサでは、信号を出力した画素はその時点から、再び光電変換した信号の蓄積を開始するため、撮像面の走査方法、タイミングにより、蓄積時間にずれが生じる。この方式では、高速に動く被写体を撮像する際に、撮像画像に歪みが生じる。そのため、近年、ＣＭＯＳイメージセンサにもグローバルシャッターの機能を有するものが増えている。本発明では、ＣＣＤまたはグローバルシャッター機能を有するＣＭＯＳイメージセンサを撮像素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃとする。

図４は３つの撮像素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃを約１３０万画素、フレームレートを１０［ｆｐｓ］、撮像素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃをグローバルシャッター機能を有するＣＭＯＳイメージセンサとした場合の撮像タイミングを示す。撮像素子１０３ａの露光時間ｔ１では、可動ミラー１０１は被写体からの撮像光の反射光が撮像素子１０３ａに入射するよう偏向している。撮像素子１０３ａの露光時間ｔ１が終了し、蓄積時間に入ると、可動ミラー１０１は反射光が撮像素子１０３ｂに入射するように偏向し、撮像素子１０３ｂの露光時間ｔ２の間、その偏向を維持する。撮像素子１０３ｂの露光時間ｔ２が終了し、蓄積時間に入ると、可動ミラー１０１は反射光が撮像素子１０３ｃに入射するように偏向し、撮像素子１０３ｃの露光時間ｔ３の間、その偏向を維持する。撮像素子１０３ｃの露光時間ｔ３が終了し、蓄積時間に入ると同時に、撮像素子１０３ａの蓄積時間が終了し、可動ミラー１０１は、再び反射光が撮像素子１０３ａに入射するよう偏向する。上記タイミングで撮像素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃによって撮像された画像を合成することにより、３０［ｆｐｓ］のフレームレートを得ることができる。

＜実施の形態２＞
図５に、撮像素子の数を３とした場合の実施の形態２における撮像部の構造を示す。被写体からの光は撮影レンズ１０２を通して結像光となり、可動ミラー１０１によって反射される。可動ミラー１０１は、入射する撮像光を撮像素子１０３ａの方向へ反射する面１０１ａと、撮像素子１０３ｂの方向へ反射する面１０１ｂと、撮像素子１０３ｃの方向へ反射する面１０１ｃを有し、反射面１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃによりそれぞれ反射された撮像光が撮像素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃにより撮像される。可動ミラー１０１の各反射面１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃは、被写体からの結像光の大きさに対して充分大きいものとし、また、可動ミラー１０１はそれぞれの面１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃに順次撮像光が入射するように回転軸を中心に回転する。

図５（ａ）、（ｄ）はそれぞれ撮像素子１０３ａに結像光の反射光が入射するよう可動ミラー１０１を回転させた場合の正面図及び背面図、図５（ｂ）、（ｅ）はそれぞれ撮像素子１０３ｂに結像光の反射光が入射するよう可動ミラー１０１を回転させた場合の正面図及び背面図、図５（ｃ）、（ｆ）は撮像素子１０３ｃに結像光の反射光が入射するよう可動ミラー１０１を回転させた場合の正面図及び背面図を示している。実施の形態１と同様に、図４に示す撮像タイミングによって可動ミラー１０１を回転させ、撮像素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃへ撮像光を入射させることにより、従来の３倍のフレームレートを得ることができる。

本発明の実施の形態１における撮像部を示す構成図である。図１の可動ミラーの偏向を示す説明図である。従来の撮像素子のフレームレートと露光時間の関係について示す説明図である。図１の撮像部におけるフレームレートと露光時間の関係について示す概念図である。本発明の実施の形態２における撮像部を示す構成図及び可動ミラーの偏向を示す説明図である。

符号の説明

１０１可動ミラー
１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ反射面
１０２撮像レンズ
１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ撮像素子
ｔ１、ｔ２、ｔ３撮像素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃの露光時間

Claims

撮像し集光して得た撮像光を複数の撮像素子の受光面側に対して順次反射供給し、順次受光した前記複数の撮像素子からそれぞれ出力される撮像信号をフレーム単位で合成することによって高解像度の撮像信号を出力する撮像装置であって、
前記撮像光を受光可能であり、かつ前記複数の撮像素子の受光面側に位置しており、前記複数の撮像素子の受光面側へ前記撮像光を順次反射供給するように順次偏向させる可動ミラーを有する撮像装置。
撮像し集光して得た撮像光を複数の撮像素子の受光面側に対して順次反射供給し、順次受光した前記複数の撮像素子からそれぞれ出力される撮像信号をフレーム単位で合成することによって高解像度の撮像信号を出力する撮像装置であって、
前記撮像光を受光可能であり、かつ前記複数の撮像素子の受光面側に位置し、かつ前記複数の撮像素子の受光面側にそれぞれ対応する位置に設けた複数の反射面を備えており、前記複数の撮像素子の受光面側へ前記撮像光を前記複数の反射面をそれぞれ介して順次反射供給するように順次偏向させる可動ミラーを有する撮像装置。
前記可動ミラーは、前記撮像し集光して得た撮像光の光スポットに対して十分大きい反射面を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。