JP2007311899A - 撮像装置及び撮像方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の重量増加及び大型化を招くことなく、撮像画像の解像度を向上させる。
【解決手段】レンズ制御器２０は、レンズ駆動制御器４により、第３のフレネルレンズ１３の平行度を所定の周期で変更し、結像位置を第１の位置と１／２画素分ずれた第２の位置との間を交互にずらす。レンズ駆動制御器４及び撮像制御器５には、タイミング発生装置６で発生されるタイミング信号が与えられる。これによりレンズ駆動制御器４及び撮像制御器５は、それぞれ互いに同期をとって結像位置及び撮像周期を制御し、各結像位置での撮像を行わせる。そして、画像処理基板３２は、ある時点の画像とその次の画像の１／２画素だけ重なる領域を新たな画素とする画像を生成する。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば飛翔体搭載の誘導装置や無人機搭載機器など、寸法・重量が制約される部位に搭載・設置される撮像装置及び撮像方法に関する。

近年、デジタルカメラなどの家電品やセキュリティ装置や自動検査機械などの産業機械など、撮像に関する需要が高まっており、また、画像の分解能・撮像視野など、撮像画像の品質に対する要求も年々高まっている。撮像画像の高分解能化・広視野化については、従来は撮像デバイスの多画素化で対応しているが、多画素デバイスの利用は対応する光学系の大型化を伴い、装置重量も増加せざるを得ない。また必然的に高価になる。特に小型・軽量が同時に要求される分野では、このことが撮像画像の高分解能化・広視野化の実現の大きな制約になっている。

そこで、撮像デバイスを載積固定した基板を振動させて撮像することで、撮像デバイスを増やすことなく解像度を高める手法が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。
特公平１−３４５１０号公報

ところが、上述した撮像デバイスを載積した基板を振動させる手法では、基板自体を振動させるための駆動部が必要となるため、重量が増加し大型になってしまう。特に飛翔体搭載の誘導装置や無人機搭載機器のように、寸法や重量が制約される部位に搭載・設置される撮像装置においては、撮像装置の重量増加及び大型化を招くことなく、撮像画像の解像度の向上が望まれている。

この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、装置の重量増加及び大型化を招くことなく、撮像画像の解像度を向上させることのできる撮像装置及び撮像方法を提供することにある。

上記目的を達成するためにこの発明に係わる撮像装置及び撮像方法は、撮像面に結像された画像を所定の周期で画素毎に光電変換して画像信号を得る撮像デバイスと、前記撮像デバイスの撮像面に対向配置され、入射光を前記撮像デバイスの撮像面に結像する光学系と、前記撮像デバイスの撮像面に対する結像を前記撮像面で１画素分に満たない量だけずれるように前記光学系を移動自在に支持する光学系制御部と、前記光学系を第１の結像位置と当該位置から１画素分に満たない量だけずれた第２の結像位置との間で所定の周期で交互に移動させるように前記光学系制御部を駆動する駆動手段と、前記撮像デバイスの撮像周期と前記駆動手段による駆動周期とを同期させ、前記第１の結像位置における第１の画像信号と前記第２の結像位置における第２の画像信号とを交互に取得する同期制御手段と、前記第１の画像信号と第２の画像信号とを比較して同一画素毎の重なり部分を新たな画素とする画像信号を生成する画像処理手段とを具備することを特徴とする。

上記構成では、光学系を第１の結像位置と当該位置から１画素分に満たない量だけずれた第２の結像位置との間で所定の周期で交互に移動させるように駆動することで、第１の画像と１画素分に満たない量だけずれた第２の画像を撮像し、同一画素毎の重なり部分を新たな画素とする画像を生成している。このように、光学系のみを微小変化させることで画素ずらしを実現しているため、装置の重量増加や大型化を招くことなく、高解像度の撮像が可能となる。

また、この発明に係わる撮像装置及び撮像方法は、撮像面に結像された画像を所定の周期で画素毎に光電変換して画像信号を得る撮像デバイスと、前記撮像デバイスの撮像面に対向配置され、入射光を前記撮像デバイスの撮像面に結像する光学系とを備える撮像装置であって、前記光学系を、第１の結像位置と当該位置から前記撮像面の１画素分に満たない量だけずらした第２の結像位置との間で所定の周期で交互に移動させ、前記撮像デバイスの撮像周期と前記光学系の移動周期とを同期させ、前記第１の結像位置における第１の画像信号と前記第２の結像位置における第２の画像信号とを交互に取得し、前記第１の画像信号と第２の画像信号とを比較して同一画素毎の重なり部分を新たな画素とする画像信号を生成し出力する高解像度モード処理手段と、前記光学系の移動制御を停止させ、前記撮像デバイスで撮像された前記第１または第２の結像位置における第１または第２の画像信号を出力する低解像度モード処理手段と、前記撮像面に結像される撮像対象物の画像について撮像面を占める面積の割合を閾値と比較し、その比較結果に基づいて前記高解像度モード処理手段と前記低解像度モード処理手段とを選択的に切り替えるモード切替手段と
を具備することを特徴とする。

上記構成では、画素ずらしによる高解像度モードと画素ずらしを停止させる低解像度モードとを設定し、結像される画像の大きさによってモードを切り替えるようにする。このように構成することにより、例えば、対象物との距離が十分にある場合には高解像度による撮像を行い、対象物が近づいたときには低解像度による撮像を行うことで、対象物が急激に近づいてくる場合にも追従することが可能となる。

したがってこの発明によれば、装置の重量増加及び大型化を招くことなく、撮像画像の解像度を向上させることのできる撮像装置及び撮像方法を提供することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、この発明に係る撮像装置の一実施形態を示す構成図である。この撮像装置は、入射光の光軸上に第１乃至第３のフレネルレンズ１１，１２，１３、及び画像検知器（撮像デバイス）３１を配置し、第１乃至第３のフレネルレンズ１１，１２，１３によって入射光をＣＣＤやＣＭＯＳセンサー等による画像検知器３１の撮像面に集光する。上記画像検知器３１は画像処理基板３２に搭載され、撮像制御器５から与えられる撮像制御信号に応じて、撮像面に結像された画像を電気信号に変換し、同基板３２に搭載される画像処理装置に出力する。

また、上記第３のフレネルレンズ１３は、レンズ制御器２０により画像検知器３１の撮像面に対する平行度を調整可能にして支持される。上記レンズ制御器２０は、レンズ駆動制御器４により、第３のフレネルレンズ１３の平行度を所定の周期で変更し、結像位置を第１の位置と１／２画素分ずれた第２の位置との間を交互にずらす。

上記レンズ駆動制御器４及び撮像制御器５には、タイミング発生装置６で発生されるタイミング信号が与えられる。これによりレンズ駆動制御器４及び撮像制御器５は、それぞれ互いに同期をとって結像位置及び撮像周期を制御し、各結像位置での撮像を行わせる。

上記構成による撮像装置において、図２乃至図５を参照してその処理動作を説明する。
図２は、レンズ制御器２０により、結像位置を変化させる場合の第３のフレネルレンズ１３の動きを示す図である。
レンズ制御器２０は、図２（ａ）に示すように、第３のフレネルレンズ１３の周囲の一部を圧電素子２１で支持しており、圧電素子２１に駆動電圧を与えることによって、図２（ｂ）に示すように第３のフレネルレンズ１３の撮像面に対する平行度を微調整する制御機能を備える。その調整量は、少なくとも撮像面上の結像位置が１画素分に満たない量（ここでは１／２画素とする）だけずらすことができる程度とする。そのずれ調整方向は、一方向または互いに直交する二方向とする。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、第３のフレネルレンズ１３の撮像面に対する平行度を右あがりに変化させれば、レンズ１３による集光方向が右にずれ、その結果結像位置も右に変化する。レンズ駆動制御器４は、レンズ制御器２０による平行度の調整機能を用いて、第３のフレネルレンズ１３を図２（ａ）に示す第１の結像位置と当該位置から１／２画素分だけずれた第２の結像位置との間で所定の周期で交互に移動させる。その周期はタイミング発生装置６からのタイミング信号によって決定される。一方、同じタイミング信号により撮像制御器５を通じて画像検知器３１の撮像周期（フレームレート）が制御される。このため、結像位置の制御周期と撮像周期が同期され、これによって第１の結像位置での画像と第２の結像位置での画像が得られる。

以上の処理により、図３（ａ）に示すように、画像検知器３１はＡ，Ｂ，…の撮像位置の画像と１／２画素だけずれた（Ａ′，Ｂ′，…）の撮像位置の画像を交互に撮像することになる。次に、画像処理基板３２において、ある時点の画像とその次の画像の１／２画素だけ重なる領域の輝度（図中の斜線部の領域）を、一例として、重なり合う画素の平均と定義する。これを全ての画素について処理すれば、結局、１／２画素の新たな画素列が定義されたことになる。つまり、画素の寸法が等価的に半分になったことになり、分解能が向上する。

以上は、結像位置を一方向に変化させただけの場合であるが、これを２次元的に上記と同様な操作をすれば、すなわち図３（ｂ）に示すように、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，…の撮像位置の画像と１／４画素だけずれた（ａ′，ｂ′，ｃ′，ｄ′，…）の撮像位置の画像を順に撮像することになる。このように縦・横ともに元の画素の半分の画素（面積にすれば１／４）を等価的に定義でき、さらに分解能が向上する。

したがって、上記構成の撮像装置によれば、基板の位置を調整するのではなく、第３のフレネルレンズ１３だけを微小変化させて画素ずらしを実現しているので、装置の重量増加及び大型化を招くことなく、撮像画像の解像度を向上させることができる。

ところで、上記の画素ずらしの手法は、そのずらす回数だけ露光時間が余分に必要である。このため、撮像対象物との距離が十分にある場合には、解像度が高い方が有利であるが、対象物が近づくにつれて画像が急激に変化するため、解像度よりも追従性が要求されるようになる。

そこで、レンズ制御器２０において、図４（ａ），（ｂ）に示すように、第３のフレネルレンズ１３を画像検知器３１の撮像面に対して入射光の光軸方向に移動させ、画像検知器３１に結像される像の大きさを変化させる、いわゆるズーム機能を持たせる。そして、画素ずらしによる高解像度モードと画素ずらしを停止させる低解像度モードを設定し、結像される画像の大きさによってモード切替を行えるようにする。

例として、飛翔体のシーカとして搭載される場合について、具体的な処理例を図５に示す。

まず、撮像する対象物（目標）Ｘを設定し（ステップＳ５１）、その対象物Ｘを最大ズームでかつ高解像度モードで撮像する（ステップＳ５２）。このとき、撮像装置は、図６（ａ）に示すように、画面上の目標画像Ｘが中央にくるように指向制御される。対象物が近づくにつれて目標画像Ｘが次第に大きくなる。そこで、画像処理基板３２において、対象物Ｘの像が撮像面上に占める割合を求め（ステップＳ５３）、その割合が所定の閾値以上となるか判断する（ステップＳ５４）。閾値に満たない場合には、ステップＳ５２に戻って高解像度モードで撮像を継続する。画面上の目標画像Ｘが図６（ｂ）に示すように大きくなり、閾値以上となる場合には、ズームを引いて像を小さくし（ステップＳ５５）、これによって像の占める割合を閾値より小さくする。さらに、ズームが最小となったか判断し（ステップＳ５６）、ズーム最小の状態でも像の占める割合が閾値以上となるときは、高解像度モードをオフとし、画素ずらしを停止させた低解像度モードに切り替える（ステップＳ５７）。これによって飛翔体が目標に近づいて目標像が急激に変化する場合でも、これに追従できるようになる。

なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、光学系を構成するレンズ群には、小型・軽量を目的としてフレネルレンズを用いたが、本発明の指向する目的からは従来のレンズでもなんら問題ない。またレンズの構成枚数も３枚以外でもよい。レンズ制御器２０により制御されるレンズについても、結像位置や大きさが変更可能なものであれば、光学系を構成するレンズ群のどのレンズでも構わない。

レンズ制御器２０は、その配置が全周均等でも周囲数カ所に限定しても構わない。また、レンズの位置や姿勢を変更する目的を達成できれば、例えば直線モータ等、電磁石を用いたものでも構わない。画像検知器３１は波長の制限はなく、画像を撮像できるものであれば、使用目的に合わせどのような検知器でもよい。すなわち、検知器によって紫外線から遠赤外線までのいずれの波長にも、本発明を適用できる。画像処理基板３２は画像検知器３１からの信号を入力可能であれば、画像検知器３１と同じ場所に無くても構わない。

要するにこの発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

この発明に係る撮像装置の一実施形態を示す構成図。 結像位置を変化させる場合のレンズの動きを示す図。 撮像画素の処理の一例を示す図。 視野の大きさを変化させる場合のレンズの動きを示す図。 撮像モードの切り替え処理の手順とその内容を示すフローチャート。 撮像面における撮像対象物の大きさが変化する様子を示す図。

符号の説明

１１…第１のフレネルレンズ、１２…第２のフレネルレンズ、１３…第３のフレネルレンズ（撮像制御レンズ）、２０…レンズ制御器、２１…圧電素子、３１…画像検知器、３２…画像処理基板、４…レンズ駆動制御器、５…撮像制御器、６…タイミング発生装置。

Claims (9)

1. 撮像面に結像された画像を所定の周期で画素毎に光電変換して画像信号を得る撮像デバイスと、
   前記撮像デバイスの撮像面に対向配置され、入射光を前記撮像デバイスの撮像面に結像する光学系と、
   前記撮像デバイスの撮像面に対する結像を前記撮像面で１画素分に満たない量だけずれるように前記光学系を移動自在に支持する光学系制御部と、
   前記光学系を第１の結像位置と当該位置から１画素分に満たない量だけずれた第２の結像位置との間で所定の周期で交互に移動させるように前記光学系制御部を駆動する駆動手段と、
   前記撮像デバイスの撮像周期と前記駆動手段による駆動周期とを同期させ、前記第１の結像位置における第１の画像信号と前記第２の結像位置における第２の画像信号とを交互に取得する同期制御手段と、
   前記第１の画像信号と第２の画像信号とを比較して同一画素毎の重なり部分を新たな画素とする画像信号を生成する画像処理手段と
   を具備することを特徴とする撮像装置。
2. 前記光学系制御部は、前記撮像面に対する前記光学系の平行度を変化させて前記結像位置をずらすことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 前記光学系制御部は、前記光学系を前記入射光の光軸方向に移動させて前記撮像面の結像を拡大／縮小するズーム手段をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
4. 前記画像処理手段は、前記同一画素毎の重なり部分の輝度の平均値を求めて新たな画素の輝度とすることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
5. 前記光学系の少なくともいずれかの光学素子は、フレネルレンズで構成されることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
6. 前記支持機構部は、圧電素子を用いて前記光学系を支持することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
7. 撮像面に結像された画像を所定の周期で画素毎に光電変換して画像信号を得る撮像デバイスと、前記撮像デバイスの撮像面に対向配置され、入射光を前記撮像デバイスの撮像面に結像する光学系とを備える撮像装置に用いられ、
   前記光学系を、第１の結像位置と当該位置から前記撮像面の１画素分に満たない量だけずらした第２の結像位置との間で所定の周期で交互に移動させ、前記撮像デバイスの撮像周期と前記光学系の移動周期とを同期させ、前記第１の結像位置における第１の画像信号と前記第２の結像位置における第２の画像信号とを交互に取得し、前記第１の画像信号と第２の画像信号とを比較して同一画素毎の重なり部分を新たな画素とする画像信号を生成することを特徴とする撮像方法。
8. 撮像面に結像された画像を所定の周期で画素毎に光電変換して画像信号を得る撮像デバイスと、前記撮像デバイスの撮像面に対向配置され、入射光を前記撮像デバイスの撮像面に結像する光学系とを備える撮像装置であって、
   前記光学系を、第１の結像位置と当該位置から前記撮像面の１画素分に満たない量だけずらした第２の結像位置との間で所定の周期で交互に移動させ、前記撮像デバイスの撮像周期と前記光学系の移動周期とを同期させ、前記第１の結像位置における第１の画像信号と前記第２の結像位置における第２の画像信号とを交互に取得し、前記第１の画像信号と第２の画像信号とを比較して同一画素毎の重なり部分を新たな画素とする画像信号を生成し出力する高解像度モード処理手段と、
   前記光学系の移動制御を停止させ、前記撮像デバイスで撮像された前記第１または第２の結像位置における第１または第２の画像信号を出力する低解像度モード処理手段と、
   前記撮像面に結像される撮像対象物の画像について撮像面を占める面積の割合を閾値と比較し、その比較結果に基づいて前記高解像度モード処理手段と前記低解像度モード処理手段とを選択的に切り替えるモード切替手段と
   を具備することを特徴とする撮像装置。
9. 撮像面に結像された画像を所定の周期で画素毎に光電変換して画像信号を得る撮像デバイスと、前記撮像デバイスの撮像面に対向配置され、入射光を前記撮像デバイスの撮像面に結像する光学系とを備える撮像装置に用いられ、
   高解像度モードにおいて、前記光学系を、第１の結像位置と当該位置から前記撮像面の１画素分に満たない量だけずらした第２の結像位置との間で所定の周期で交互に移動させ、前記撮像デバイスの撮像周期と前記光学系の移動周期とを同期させ、前記第１の結像位置における第１の画像信号と前記第２の結像位置における第２の画像信号とを交互に取得し、前記第１の画像信号と第２の画像信号とを比較して同一画素毎の重なり部分を新たな画素とする画像信号を生成出力し、
   低解像度モードにおいて、前記光学系の移動制御を停止させ、前記撮像デバイスで撮像された前記第１または第２の結像位置における第１または第２の画像信号を出力し、
   前記撮像面に結像される撮像対象物の画像について撮像面を占める面積の割合を閾値と比較し、その比較結果に基づいて前記高解像度モードと前記低解像度モードとを選択的に切り替えることを特徴とする撮像方法。

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