JP2007140389A - ピンホール式結像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被写体の異なる撮影距離における結像結果がすべてシャープであることが実現され、それと同時に高いコントラスト特性で、光学的歪みが小さい結像を得ることができ、構造が簡単で、小型化可能であり、小型撮像装置、携帯式電話機（携帯電話）、モバイル式コンピュータなどの情報端末及びその補助装置への設置・使用に適した結像装置を提供すること。
【解決手段】 本発明のピンホール式結像装置では光線が光学システムに進入して結像を構成することを許容するピンホール式開口絞りと、前記ピンホール式開口絞りに適合している少なくとも１枚の光学レンズとを有する構成としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、結像装置に関するものであり、特にピンホール式レンズの結像装置に関する。

現在、通常の撮像装置の多くには光学レンズシステムによる結像が採用されており、固定された撮影距離上での撮影に限って、当該撮影距離上及びその近傍の物体のシャープな結像結果を得ることができる。

しかしながら、従来の技術によれば、以下のような問題があった。
（１）固定された距離上の被写体を撮影する際には、当該距離上に位置していない物体については、そのシャープな画像を得ることはできないという問題があった。異なる撮影距離の物体すべてについてシャープな結像結果を得ようとする場合には、その他一連の機械装置、例えばオートフォーカス装置、手動ピント合わせ機能のレンズシステムの助けを受けなければならなかった。
（２）前記機械装置の助けを受けた後であっても、ある物体に対する固定撮影距離のシャープな画像を得ることができるだけであり、相対的に近傍の物体及び相対的に遠方の物体の結像結果が共にシャープであるという効果を得ることはできないという問題があった。
（３）オートフォーカス及び手動ピント合わせ光学装置構造の結像装置は、オートフォーカス作用及びピント合わせ作用の専用機械構造、例えば、ステップモーターやＶＣＭアクチュエーターなど、手動ピント合わせのスライドロッドなどが備わっているため、その構造は複雑で、サイズは大きく、コストも高いという問題があった。とりわけ、近年では、モバイル式電子機器上への撮像装置の設置要求は普遍的となっているが、モバイル式電子機器ではその体積の制限を受けるため、結像装置の小型化、簡易化に対してはより高い要求が提示されている。

従って、本発明の目的は、非オートフォーカス及び手動ピント合わせ光学メカニズムを採用して撮影対象の撮像距離の自由度を高め、被写体の異なる撮影距離における結像結果がすべてシャープであることが実現され、それと同時に高いコントラスト特性で、光学的歪みが小さい結像を得ることができる結像装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、構造は簡単で、小型化可能であり、小型撮像装置、携帯式電話機（携帯電話）、モバイル式コンピュータなどの情報端末及びその補助装置への設置・使用に適した結像装置を提供することにある。

本発明は次の原理に基づき実現される。ピンホールは中国古代の墨子の一大発明であり、その簡易な適応性により、ハイテク技術が発展した今日においても、依然として大きな影響力を備えている。
本発明はピンホール結像を原理として設計されたピンホール式結像装置であり、それには以下のものが含まれる。
光線が光学システムに進入して結像を構成することを許容し、ホール径が０．５ｍｍ〜０．９ｍｍであるピンホール式開口絞りと、前記ピンホール以外からの光線の進入を遮断する遮光壁と、前記ピンホール式開口絞りに適合している少なくとも１枚の光学レンズと、遮光壁から延伸している光学レンズ固定フレームとである。

前記光学レンズは１枚で、前記ピンホール式開口絞りの被写体方向とは逆の側に設置されている。

前記光学レンズは２枚で、順に前記ピンホール式開口絞りの被写体方向とは逆の側に設置されている。

前記光学レンズは２枚で、１枚は前記ピンホール式開口絞りの被写体方向とは逆の側に設置されており、別の１枚は前記ピンホール式開口絞りの被写体方向に面する側に設置されている。

前記ピンホール式レンズの結像装置の画像は光電変換器（例えば、ＣＣＤイメージセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサなど）により電子画像信号に変換される。

本発明では前記構造が採用されているため、光線がピンホール式開口絞りの絞りを通過する際、遠方の物体が発して光学システムに進入した光線の結像及び近傍の物体が発して光学システムに進入した光線の結像は共にシャープであり、距離が異なる被写体の画像すべてを同時にシャープとすることができるという特性を備えており、それと同時に、ピンホールの前後端に設置されている光学レンズにより一般のピンホールの歪みが大きいという欠点も克服されているため、センサ素子の全感光面積に本発明の結像装置が結像した画像を受容する作用を発揮させることが可能である。
本発明はオートフォーカスシステムメカニズムや手動ピント合わせシステムメカニズムは必要ではなく、構造は簡単で、サイズはコンパクトであり、使用寿命は長く、コストは低いという利点が備わっているため、小型撮像装置、携帯式電話機（携帯電話）、モバイル式コンピュータなどの情報端末及びその補助装置への設置・使用に適した結像装置となっている。

以下においては、添付図及び実施例に基づきより詳細に説明する。
図１は、本発明におけるピンホール式結像装置実施例１の構造見取図であり、図２は、本発明におけるピンホール式結像装置実施例２の構造見取図であり、図３は、本発明のピンホール式結像装置を配設した携帯電話の構造見取図であり、図４は、本発明のピンホール式結像装置を配設した携帯電話のピンホール式結像装置部分の構造見取図である。

本発明において、最適効果が得られるピンホール開口絞りの孔径について、発明者は理論的分析研究を基礎として、一連のピンホール径選択実験を実施した。直径は０．５ｍｍ、０．６ｍｍ、０．７ｍｍ、０．８ｍｍ、０．９ｍｍ、１．０ｍｍで、ピンホールの深さは１．０ｍｍ〜３．０ｍｍと設定し、室内の輝度は１００ルクスとした上で、相応のピンホールを介して撮影された画像の明るさ、歪み、シャープさについて観察した。詳細は表１に示されている実験結果の通りである。

ピンホールの開口径を０．７ｍｍ以下に設定した場合、そこで得られる画像はシャープである。しかし歪みが発生するとともに、光量不足により明るさが不足した画像が得られた。ピンホールの開口径を０．９ｍｍ以上に設定した場合には、画像がぼけていた。その原因は開口径が過度に大きいため、ピンホール内で光が散乱してしまうためである。ピンホールの開口径を０．８ｍｍ前後に設定した場合、得られた画像は十分な光量を得ているため、歪みのない画像を得ることができた。上記分析実験によれば、本発明におけるピンホールの開口径は０．７〜０．９ｍｍであり、０．８ｍｍの場合に得られた画像が最適であることがわかる。以下実施例に沿って説明する。

（実施例１）
図１に示されているのは２枚の光学レンズのピンホール式結像装置であり、本体５の先端に直径が０．８ｍｍのピンホール４が開設され、ピンホール４の深さは２ｍｍである。ピンホール４の後端は拡張されて直径が大きいレンズ筒５１となっており、レンズ筒５１の後端は更に拡張されて直径が大きい光電変換センサ１の収納空間５２となっている。光学レンズ３、２は順に本体後部からレンズ筒５１内に嵌入され、光電変換センサ１は収納空間５２内に配設される。本体５は不透光材料を一体成形して製作されており、前記ピンホール以外からの光線の進入を遮断する遮光壁を形成している。

使用する際、視野範囲内の被写体が発する光線（撮影対象及び背景）はピンホール４を介して光学レンズ３に入射し、光学レンズ３、２で集束された上で、光電変換センサ１上に結像する。ピンホールユニットの直径寸法が０．８ｍｍであるため、ピンホール結像原理に基づき、距離が当該結像装置に非常に接近した物体及び距離が当該結像装置と非常に遠い物体のシャープな画像が同時に光電変換センサ１上に結像することが可能となるため、その他結像装置ではある固定撮影距離の物体以外について、そのシャープな結像を得ることができないという問題は解決されている。

（実施例２）
図２に示されているのは、本発明におけるピンホール式結像装置の別の実施例であり、実施例１と異なる点は、２枚の光学レンズ２、３がそれぞれピンホール４の前後両端に設置されている点である。光学レンズ２は本体５の先端に嵌設されており、その後には同軸で直径０．７５ｍｍのピンホール４が開設されており、ピンホール４の深さは３ｍｍである。ピンホール４の後端は拡張されて直径が大きいレンズ筒５１となっており、レンズ筒５１の後端は更に拡張されて直径が大きい光電変換センサ１の収納空間５２となっている。光学レンズ３は本体５後部からレンズ筒５１内に嵌入され、光電変換センサ１は収納空間５２内に配設される。本体５は不透光材料を一体成形して製作されており、前記ピンホール以外からの光線の進入を遮断する遮光壁を形成している。

（実施例３）
図３、４に示されているのは、本発明のピンホール式結像装置を応用した携帯電話結像装置の実施例である。
携帯電話は表示ユニット１１、操作ユニット１２、ピンホールユニット１５を有して筐体１０の前面に設置されている。

ピンホールユニット１５について、その上端には直径０．８ｍｍのピンホール１９が開設されており、凸レンズ１６がピンホール式開口絞りの被写体の方向とは逆の面に嵌設されている。ピンホールユニット１５の下方の一部分にはＣＣＤイメージセンサの収納空間が画定されており、ＣＣＤイメージセンサ１８にはフィルタガラス１８１、センサユニット１８２が含まれ、センサユニット１８２は主基板１７上に固定され、フィルタガラス１８１はセンサユニット１８２の上方に配設されている。

携帯電話の主基板１７上には相応のＣＣＤイメージセンサ１８が撮影した画像信号内から生成された画像データを記憶することができるか、または画像データを表示ユニット１１上に表示するために変換する信号処理回路が設置されている。

センサユニット１８２の全面積を有効利用するため、ピンホールユニット１５の後には片側非球面の凸レンズ１６が嵌入されており、それにより光線が集束される。当該凸レンズ１６はプラスチック、硬質ガラスなどの材料で製作することができる。

ＣＣＤイメージセンサ１８に設置されているガラス部分１８１には、光量（紫外線量）に応じて変色するガラスカバーを使用している。通常のガラスを使用した場合に、凸レンズ１６から入射した光の作用により焼付き（茶色に変色）現象が発生し、画質が低下するばかりではなく、ＣＣＤイメージセンサ１８の使用寿命も短くなることから、それを回避するためである。

使用時には、携帯電話上のピンホールユニット１５を介して取り込まれた可視光（撮影対象及び背景）が凸レンズ１６に入射し、当該凸レンズ１６により無焦点状態下で携帯電話の主基板１７上に設置されているＣＣＤイメージセンサ１８のガラス部分１８１を経由してセンサユニット１８２に入射する。信号処理回路を介して、画像は直ちに表示ユニット１１上にシャープに表示することができ、携帯電話のチップ内に記憶することもできる。

ピンホールユニット１５は直径０．８ｍｍのピンホール開口絞りであるため、距離が携帯電話に非常に接近した物体及び距離が携帯電話と非常に遠い物体のシャープな画像を同時にセンサ１８上に結像することが可能となるため、表示ユニット１１上に明瞭に表示することが可能となる。

図５および図６は、本発明の他の実施形態である情報端末装置の概観斜視図を示し、図５にはノート型パーソナルコンピュータを、図６にはモバイルコンピュータを、それぞれ示す。なお、筐体内部における基本構成は、上述した実施形態と同様であるため、その説明を省略する。

図５に示すノート型パーソナルコンピュータ５００の場合、ピンホール部５０１を液晶ディスプレイの上部に設けている。また、図６に示すモバイルコンピュータ６００の場合、ピンホール部６０１を液晶ディスプレイの左横に設けている。これらのピンホール部５０１、６０１を設ける位置は、必ずしも図示した位置に限定されるものではない。

本発明の他の実施形態によれば、ピンホール部を介して撮像された画像は、十分な明るさを保持しつつ、被写体までの距離にかかわらずシャープで歪みの無い画像を得ることができると共に、当該ピンホール部の設置位置を設計段階で任意に設定することができるので、筐体設計の自由度を大幅に増すことができる。

このように、光線がピンホール式開口絞りの絞りを通過する際、遠方の物体が発して光学システムに進入した光線の結像及び近傍の物体が発して光学システムに進入した光線の結像は共にシャープであるため、距離が異なる被写体の画像すべてを同時にシャープとすることができるという特性を備えており、それと同時に、ピンホールの前後端に設置されている光学レンズにより一般のピンホールの歪みが大きいという欠点も克服されているため、センサ素子の全感光面積に本発明の結像装置が結像した画像を受容する作用を発揮させることが可能である。

上記実施例は、本発明を実施するために限った実施例であり、本発明の設計構想はそれに限定されるものではなく、本発明は光学的結像作用を必要とする製品／設備または計器に応用することが可能であるため、当該構想を利用して本発明に対して実施した非本質的な変更は、すべて本発明の保護範囲を侵犯する行為に属するものである。

本発明におけるピンホール式結像装置実施例１の構造見取図である。 本発明におけるピンホール式結像装置実施例２の構造見取図である。 本発明のピンホール式結像装置を配設した携帯電話の構造見取図である。 本発明のピンホール式結像装置を配設した携帯電話のピンホール式結像装置部分の構造見取図である。 本発明の他の実施形態である情報端末装置の概観斜視図を示し、ノート型パーソナルコンピュータに適用した図を示す図である。 本発明の他の実施形態である情報端末装置の概観斜視図を示し、モバイルコンピュータに適用した図を示す図である。

符号の説明

１ 光電変換センサ
２，３ 光学レンズ
４ ピンホール
５ 本体
１０ 筐体
１１ 表示ユニット
１２ 操作ユニット
１５ ピンホールユニット
１６ 凸レンズ
１７ 主基板
１８ ＣＣＤイメージセンサ
５１ レンズ筒
５２ 収納空間
１８１ フィルタガラス
１８２ センサユニット

Claims (10)

1. 光線が光学システムに進入して結像を構成することを許容し、ホール径が０．５ｍｍ〜０．９ｍｍであるピンホール式開口絞りと、前記ピンホール以外からの光線の進入を遮断する遮光壁と、前記ピンホール式開口絞りに適合している少なくとも１枚の光学レンズと、遮光壁から延伸している光学レンズ固定フレームとを備えていることを特徴とするピンホール式結像装置。
2. 前記光学レンズは１枚で、前記ピンホール式開口絞りの被写体方向とは逆の側に設置されていることを特徴とする請求項１記載のピンホール式結像装置。
3. 前記光学レンズは２枚で、順に前記ピンホール式開口絞りの被写体方向とは逆の側に設置されていることを特徴とする請求項１記載のピンホール式結像装置。
4. 前記光学レンズは２枚で、１枚は前記ピンホール式開口絞りの被写体方向とは逆の側に設置されており、別の１枚は前記ピンホール式開口絞りの被写体方向に面する側に設置されていることを特徴とする請求項１記載のピンホール式結像装置。
5. 筐体の一部分上にピンホール式結像装置が設置されており、当該結像装置には、光線が光学システムに進入して結像を構成することを許容し、ホール径が０．５ｍｍ〜０．９ｍｍであるピンホール式開口絞りと、前記ピンホール以外からの光線の進入を遮断する遮光壁と、前記ピンホール式開口絞りに適合している少なくとも１枚の光学レンズと、光学レンズを固定並びに取り付けるためのレンズフレーム構造とが備わっていることを特徴とするピンホール式レンズシステム。
6. 更に光電変換センサを有し、それはＣＣＤイメージセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサとすることができることを特徴とする請求項５記載のピンホール式レンズシステム。
7. 更に前記光電変換センサの画像取込み速度を切り換える切換装置を有し、それはＣＣＤイメージセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサとすることができることを特徴とする請求項６記載のピンホール式レンズシステム。
8. 前記光学レンズは２枚で、順に前記ピンホール式開口絞りと光電デバイスとの間の位置に設置され、レンズフレーム構造上に固定されているか、または１枚は前記ピンホール式開口絞りと光電デバイスとの間の位置に設置され、別の１枚は被写体方向でピンホール式開口絞りの先端に設置され、それぞれレンズフレーム構造上に固定されていることを特徴とする請求項６または７記載のピンホール式レンズシステム。
9. 前記光学レンズは１枚で、前記ピンホール式開口絞りと光電デバイスとの間の位置に設置されていることを特徴とする請求項６または７記載のピンホール式レンズシステム。
10. 小型撮像装置、携帯電話、モバイルコンピュータなどの情報端末及びその補助装置に適用されることを特徴とする請求項６または７記載のピンホール式レンズシステム。

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