JP2008148178A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】変位の小さいアクチュエータを用いた場合でも撮像素子を大きく変位できるようにする。
【解決手段】Ｘ軸変位機構２０Ｘを構成するＸ軸アクチュエータ２１ＸがＹ方向に伸縮すると、支持腕２２，２３が回動し、腕連結部２４ａが撓む。その撓みによって基板連結部２４ｂが支持基板１２、つまり撮像素子６をＸ方向に微小変位させる。支持腕２２，２３および腕連結部２４ａは、変位拡大機構を構成するため、撮像素子６のＸ方向変位は、アクチュエータ２１ＸのＹ方向変位よりも大きくなる。Ｙ軸変位機構２０Ｙは、上述と同様の作用により撮像素子６をＹ方向に変位させる。
【選択図】図６

Description

本発明は、撮像素子を微小変位させることが可能な撮像装置に関する。

一対の圧電素子を用いて撮像素子を横，縦方向（いずれも受光面に沿う方向）に微小振動させることで、ローパスフィルタ効果を得る撮像装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。ローパスフィルタ効果を得るための振動振幅は、撮像素子の画素ピッチによって決まる。

特開平９−１１６９１０号公報

特許文献１では、圧電素子の変位を直接撮像素子に伝達しているため、圧電素子の変位に相当する振動振幅しか得られず、画素ピッチの大きい大型の撮像素子には適用できない。

本発明に係る撮像装置は、被写体からの光束を受光して光電変換する撮像素子と、撮像素子を微小変位させるためのアクチュエータと、アクチュエータの変位を拡大して撮像素子に伝達し、撮像素子をその受光面に沿う方向に微小変位させる変位拡大機構とを具備することを特徴とする。
撮像素子をその受光面に沿い、かつ互いに交叉する２方向に変位させるべく、アクチュエータと変位拡大機構とを１対ずつ設けてもよい。
微小変位の繰り返しにより撮像素子を微小振動させるようにしてもよい。その場合、撮像素子の露光中に、被写体像の空間周波数成分が制限されるように撮像素子に微小振動を与えるようにしてもよい。また、撮像素子の非露光中に微小振動を与えるようにしてもよい。
変位拡大機構は、アクチュエータの変位によって回動する回動部材と、回動部材の回動を直線運動に変換して撮像素子に伝達する伝達部材とを含んでいてもよい。その場合、伝達部材を可撓性部材によって構成してもよい。また、伝達部材、および伝達部材と回動部材とを連結する部材を金属製の板ばねによって構成してもよい。
回動部材および伝達部材を、撮像素子を支持する支持部材に一体成形により形成してもよい。
アクチュエータとして、印加電圧に応じて変位量および変位方向を制御可能な積層型圧電素子を用いてもよい。
アクチュエータは、撮像素子の一辺と平行に延在してその延在方向に変位し、変位拡大機構は、アクチュエータの変位を前記一辺と垂直な方向に変換して撮像素子に伝達するよう構成してもよい。

本発明によれば、画素ピッチの大きい撮像素子は勿論、撮像素子を画素ピッチよりも大きく変位させる必要があるときにも適用可能である。

図１〜図１０により本発明の一実施の形態を説明する。
図１は本実施形態におけるデジタルカメラシステムの構成図である。カメラシステムは、一眼レフタイプのカメラボディ１００と、ボディ１００に装着される交換レンズ２００とから成る。交換レンズ２００を透過した被写体光束は、ミラー１で上方に反射され、焦点板２，ペンタプリズム３を介して接眼レンズ４にて観察される。撮影が指示されると、ミラー１がアップし、光束はシャッタ５を介してＣＣＤ等の撮像素子６に受光される。撮像素子６の光電変換出力は制御回路７に読み出され、種々の処理が施されて画像データが生成される。画像データは、不図示の記録媒体に記録される。

図２〜図４により撮像素子回りの詳細構造を説明する。
撮像素子６のパッケージ６ａには、前面に保護ガラス８が取り付けられ、これによりチップ６ｂの受光面が保護される。可視光での撮像を行う撮像素子では、赤外光の影響を防ぐ目的で赤外カットフィルタを用いるが、保護ガラス８に赤外カット特性を持たせることで赤外カットフィルタを省略できる。例えば、赤外吸収ガラス８ａに赤外カットコート８ｂを施したものを保護ガラス８として用いることができる。

図３に示すように、撮像素子６のパッケージ６ａ（保護ガラス付き）は撮像回路基板１１に実装され、撮像回路基板１１は支持基板１２に支持される。本実施形態では、撮像素子６を支持基板１２ごとＸ方向，Ｙ方向に微小変位させることが可能であり、これによりローパスフィルタ効果を得ることができる。ここで、Ｘ方向は撮像素子６の長辺方向（カメラ横方向）であり、Ｙ方向は撮像素子６の短辺方向（カメラ上下方向）である。また撮像素子６の入射光軸方向をＺ方向と定義する。これら３方向は互いに直交する関係にある。

２０Ｘは撮像素子６をＸ方向に変位させるためのＸ軸変位機構である。図５の拡大図に示すように、Ｘ軸変位機構２０Ｘは、例えば積層型圧電素子から成るアクチュエータ２１Ｘと、アクチュエータ２１の上下を支持する一対の支持腕２２，２３と、一対の支持腕２２，２３を支持基板１２に連結する連結板２４とが一体化されて成る。アクチュエータ２１Ｘは、Ｙ方向に伸縮可能である。連結板２４は、弾性変形が可能な部材（例えば、金属板ばね）にて構成され、上下の支持腕２２，２３（例えば、樹脂製）を連結する腕連結部２４ａと、腕連結部２４ａの中央を支持基板１２の右端面に連結する基板連結部２４ｂとから成る。腕連結部２４ａと上下支持腕２２，２３の各連結部分２５は、カメラボディ１００の固定部１００Ａ（図３）に軸支され、ここを支点として上下支持腕２２，２３が回動可能とされる。

一方、撮像素子６をＹ方向に変位させるためのＹ軸変位機構２０Ｙは、Ｘ軸変位機構２０Ｘと同様の構成であるが、向きが９０度異なり、アクチュエータ２１ＹはＸ方向に伸縮し、連結板２４の基板連結部２４ｂは支持基板１２の下端面に連結されている。

図３（ａ），（ｃ）に示すように、支持基板１２は、複数のばね１３により複数の支持球１４を介して固定部１００Ａに押圧支持される。これにより支持基板１２は、Ｚ方向の移動を規制され、かつ支持球１４の転動により固定部１００Ａに対してＸ，Ｙ方向に低摩擦で円滑に変位可能である。なお、支持球に代えて、平滑な摺動面と固体潤滑剤等の使用によって円滑な変位を実現することもできる。

図６により撮像素子変位のメカニズムについて説明する。
圧電素子から成るアクチュエータ２１Ｘ，２１Ｙは、制御回路７（図１）からの印加電圧に従って伸縮する。図６（ａ）はアクチュエータ２１ＸのみをＹ方向に伸張させた状態を示し、これに伴って上下の支持腕２２，２３が、固定部１００Ａに固定された支点２５を中心に回動し、連結板２４の腕連結部２４ａを図示の如く変形させる。これにより、基板連結部２４ｂを介して支持基板１２、撮像基板１１、撮像素子６が一体に図示右方に微小変位する。Ｙ軸変位機構２０Ｙ側にあっては、支持基板１２のＸ方向の変位によって腕連結部２４ａが図示の如く撓む。
なお、図６においては、支持腕２２，２３の回動および連結板２４の変形は誇張して描かれている。

図５から分かるようにａ＜ｂであるから、腕連結部２４ａの中央部のＸ方向変位は、アクチュエータのＹ方向変位よりも大きくなる。つまり支持腕２２，２３および連結板２４は、てこの原理を応用した変位拡大機構を構成し、ｂ／ａが大きいほど変位拡大率は大きくなる。したがって、例えばアクチュエータ２０Ｘの変位が１０μｍ程度であっても、撮像素子６の変位を１００μｍ以上にまで拡大することが可能である。これは、Ｙ軸変位機構２０Ｙにおいても同様である。

ここで、撮像素子６が小型で軽量のものであれば、支持基板１２，支持腕２２，２３および連結板２４を樹脂で一体成形したものを用いることができる。一方、大型の撮像素子の場合は、樹脂のみでは強度不足となる懸念があるため、撓み部分である連結板２４を金属板ばね等で構成することが望ましい。金属部分と樹脂部分とは、インサート成形などによって一体化できる。

図６（ｂ）はアクチュエータ２１Ｘを収縮させるとともに、アクチュエータ２１Ｙを伸張させた状態を示している。Ｘ軸変位機構２０Ｘにあっては、アクチュエータ２１Ｘの収縮によって支持腕２２，２３が上述と逆方向に回動し、Ｘ方向支持部が逆方向に撓む。したがって撮像素子６は左側に変位することになる。一方、アクチュエータ２１Ｙの伸張により、撮像素子６は下方に変位する。Ｘ，Ｙ方向のいずれの変位も他方の変位に影響を及ぼさないので、撮像素子６の変位はＸ方向，Ｙ方向の単純な合成変位となる。

以上の変位機構を用いれば、アクチュエータ２１Ｘ，２１Ｙをそれぞれ高速で繰り返し伸縮させることで、撮像素子６にＸ方向，Ｙ方向の高速微小振動を与えることが可能となる。振動の振幅や周波数を含む振動波形は、制御回路７から各アクチュエータ２１Ｘ，２１Ｙへの印加電圧を制御することで、自在に調整できる。

図７はローパスフィルタ効果を得るときの振動波形の一例を示している。制御回路７は、少なくとも露光開始から終了までの間、図７のような矩形に近い波形の高速微小振動をＸ，Ｙ方向に与えるべくアクチュエータ２１Ｘ，２１Ｙを制御する。振動の振幅は、それぞれＸ，Ｙ方向の画素ピッチに相当する大きさであり、これは使用する撮像素子によって異なる。かかるＸ，Ｙ方向の振動により、被写体像の空間周波数の高域成分が二次元的に制限されるので、二次元的なローパスフィルタ効果が得られる。また、本実施形態ではアクチュエータ制御によってカットオフ周波数を自在に変更でき、しかも変位拡大機構（２２〜２４）を用いてアクチュエータ２１Ｘ，２１Ｙの変位を拡大しているので、画素ピッチの大きな撮像素子にも対応可能である。

ここで、通常は、撮像素子６の画素ピッチに相当する振幅の振動を与えればよいが、いわゆる画素加算読み出しや間引き読み出しを行う場合は、振動振幅を変える必要がある。画素加算読み出しは、例えば高感度撮影を可能とするために、隣接する複数画素の信号をまとめて読み出す方式であり、間引き読み出しは、例えばモニタへの高速画像表示を可能とするために、一定の割合で画素を間引いて読み出す方式である。これらの場合、ローパスフィルタ効果を得るための振動振幅は、例えば画素ピッチ×２、画素ピッチ×３などとなる。本実施形態では、上述した変位拡大機構を用いているので、このような振幅が画素ピッチの数倍の振動も難なく発生させることができる。

以上説明したように、本実施形態では撮像素子６を振動させることでローパスフィルタ効果を得るため、光学ローパスフィルタを設ける必要がなく、図２に示すように、撮像素子チップ６ｂの前面に保護ガラス８を配置するだけで済む。したがって、図４に示すようにシャッタ５からチップ受光面までの距離ｄ１を最小限に短くできる。

図８，図９は比較例としての従来カメラの構造を示し、それぞれ上記図２，図４に相当するものである。
図８において、撮像素子６の前面には、光学ローパスフィルタ（複屈折板）１０１、位相板１０２、赤外吸収ガラス１０３、光学ローパスフィルタ１０４の順で光学フィルタ類が積層され、光学ローパスフィルタ１０４の前面には赤外カットコート１０５が施されている。２枚の光学ローパスフィルタ１０１，１０４を用いるのは、２方向に光像を分離させるためであり、両者の間に偏光方向を９０度回転させるための位相板１０２が必要となる。また、保護ガラス８’と光学ローパスフィルタ１０１との間の空間は、防塵のため気密状態とする必要があり、密封部材１０６が設けられる。

このように従来は、多くの光学フィルタを撮像素子６の前面に積層配置する必要があった。特に光学ローパスフィルタ１０１，１０４は、複屈折光学結晶を薄く切りだした上で高精度な平面に研磨し、これを位相板や赤外カットフィルタと張り合わせる必要がある。このため製造難度が非常に高く、コストアップの大きな要因となっていた。また、光学ローパスフィルタの材料としては、ニオブ酸リチウム（リチウムナイオベート）や水晶が用いられるが、ニオブ酸リチウムは、屈折率が高いために反射防止コーティングがしにくく、不要な反射の要因となっていた。一方、水晶は、屈折率が低いために反射防止コーティングは困難ではないが、複屈折効果が低いためにニオブ酸リチウムと比べて厚くする必要があった。本実施形態では、光学フィルタを省略できるためこれらの問題はいずれも生じない。

さらに、従来は撮像素子６の前面に分厚い光学フィルタが配置されるため、シャッタ５から受光面までの距離ｄ２（図９）が長くなり、光学系のバックフォーカスを占有してしまう。このため、シャッタ前面に配置されるミラー１だけでなく、交換レンズに対しても設計制約を与えることになってしまう。本実施形態では、距離ｄ１（図４）がｄ２と比べて大幅に短いので、ミラー１や交換レンズ２００に何ら設計制約を強いることがない。

一方、本実施形態では、光学フィルタが不要な代わりにＸ軸，Ｙ軸変位機構２０Ｘ，２０Ｙを新たに設ける必要がある。しかし、図３から分かるように、アクチュエータ２１Ｘ，２１Ｙは、いずれも撮像素子６の短辺，長辺と平行に、支持基板１２の直ぐ外側に配置され、また変位拡大機構（２２〜２４）もほぼ同方向に配置される。したがって、変位機構２０Ｘ，２０Ｙの支持基板１２からの突出量を小さくでき、比較的狭いスペースでも配置可能である。特に本実施形態では、支持基板１２のうち変位機構２０Ｘ，２０Ｙを連結する部分が内側に切り欠かれているので、変位機構２０Ｘ，２０Ｙの突出量をより小さくできる。

ところで、撮像素子６の振動は、ローパスフィルタ効果以外に、保護ガラス８の表面に付着したゴミを除去するという効果をも奏する。すなわち、一眼レフカメラでは、露光中はミラーが跳ね上げられ、かつシャッタが開放されるので、図２に示す保護ガラス８がレンズ側に露出し、その表面にゴミが付着し易い。保護ガラス８に付着したゴミは、撮影画像に写り込んで見栄えを低下させることがある。従来、ローパスフィルタなどに付着したゴミを振動によって除去する機構を備えたカメラもあるが、振動を発生させるのは電源投入時や、撮影者がゴミ除去のための操作を行ったときなどに限られる。本実施形態では、ローパスフィルタ効果を得るために露光時は必ず撮像素子６、つまり保護ガラス８が振動するので、撮影者がゴミ除去を特に意識することなく、必要時に必ずゴミの除去が行われることになる。

露光時の振動とは別に、ゴミの除去専用に撮像素子６を振動させるようにしてもよい。この場合は、ローパスフィルタ効果を得るときの振動波形（例えば、図７）ではなく、図１０に示すような鋸歯状の振動波形を用いるのが効果的である。すなわち、撮像素子６を一方向に高速で動かすことで保護ガラス８に付着したゴミを払い落とし、他方向には比較的ゆっくり動かすことで、落としたゴミを舞上げないようにする。振動を付与するタイミングは、露光中以外であればいつでもよい。例えば、電源スイッチのオンまたはオフに伴って行ったり、撮影者のゴミ除去操作に伴って行うことが考えられる。
なお、ゴミとりの場合は、Ｘ，Ｙいずれか一方向の振動であってもよい。

以上は撮像素子６を振動させる例を示したが、上記変位機構２０Ｘ，２０Ｙは、例えば１回の露光ごとに撮像素子を微少変位させ、複数回撮影した画像データを合成するマルチショットや画素ずらし機能にも適用可能である。

図１１，図１２は他の実施形態を示し、上述と同様の構成要素には同一の符号を付してある。
図１１の例は、先の実施形態と同様にアクチュエータの伸縮方向を９０度変換して撮像素子に伝達するものである。Ｘ軸変位機構１２０Ｘを構成する支持腕１２２は、基端部（下端部）が固定部に回動可能に軸支され、先端部（上端部）は可撓性の連結部材１２３を介して支持基板１２の右端面に連結されている。Ｘ軸アクチュエータ１２１Ｘは下端部が固定され、上端部が支持腕１２２の突起１２２ａに連結される。Ｙ軸変位機構１２０Ｙは、Ｘ軸変位機構１２０Ｘと同様の構造であり、Ｙ軸アクチュエータ１２１ＹはＸ方向に伸縮し、支持腕１２２の先端部（左端部）は可撓性の連結部材１２３を介して支持基板１２の下端面に連結されている。

図１１（ｂ）はＸ軸アクチュエータ１２１Ｘが収縮し、Ｙ軸アクチュエータ１２１Ｙが伸張した状態を示している。Ｘ軸アクチュエータ１２１Ｘの収縮により、支持腕１２２が図示時計回りに回動し、連結部材１２３を介して支持基板１２、つまり撮像素子６が右方に微小変位する。同様にＹ軸アクチュエータ１２１Ｙの伸張により、撮像素子６は上方に微小変位する。Ｘ軸アクチュエータ１２１Ｘが伸張した場合は、逆の動作により撮像素子６は左方に微小変位し、Ｙ軸アクチュエータ１２１Ｙが収縮した場合は、撮像素子６は下方に微小変位することになる。

この例においても、支持腕１２２は変位拡大機構を構成し、支持腕１２２の長さと突起１２２ａの位置とによって変位拡大率が決まる。したがって、先の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。特に本実施形態では、Ｘ，Ｙ軸変位機構１２０Ｘ，１２０Ｙを１箇所（図では支持基板の右下）にまとめて配置できるので、カメラボディ１００の内部構造によっては先の実施形態よりも配置の点で有利となる。

図１２の例は、撮像素子６をＹ方向にのみ変位させるものであるが、変位方向の変換は行わず、アクチュエータの伸縮方向と撮像素子６の変位方向とが一致する。撮像素子６の支持基板５０は２重構造となっており、外側基板５１はカメラボディ１００に固定され、撮像素子６を支持する内側基板５２は、左右一対の上下連結部材２２２，２２３を介して外側基板５１に支持される。連結部材２２２，２２３は可撓性部材であり、外側基板５１との連結部を支点として上下に撓む。左右一対のＹ軸アクチュエータ２２１は、基端部が外側基板５１に固定され、先端部が左右の下側連結部材２２３にそれぞれ連結される。

図１２（ｂ）は一対のアクチュエータ２２１を同時に同量だけ収縮させた状態を示す。これにより一対の下側連結部材２２３が上方に撓み、内側基板５２、つまり撮像素子６は上方に微小変位する。上側連結部材２２２は、内側基板５２の変位に従動して撓む。アクチュエータ２２１を伸張した場合は、上述と逆の作用により撮像素子６は下方に微小変位する。図から分かるように、アクチュエータ２２１は、下側連結部２２３の中央よりも外側基板５１に近い位置において下側連結部２２３に連結されているので、この機構も変位拡大機構を構成することになる。なお、Ｘ方向にも変位させる場合には、図示の機構全体をＸ方向右に変位させる機構を追加すればよい。

なお、図１１，図１２の例においても、変位拡大機構を予め支持基板１２に一体成形により形成することが可能である。また本発明は、一眼レフタイプのデジタルカメラに限定されず、撮像素子を備えたあらゆる撮像装置に適用可能である。

一実施形態におけるカメラシステムの構成を示す概略図。 カメラの撮像素子回りの構造を示す図。 撮像素子変位機構を有する撮像ユニットの左側面図、正面図および分解斜視図。 撮像ユニットとシャッタとの配置を示す図。 Ｘ軸変位機構の詳細を示す図。 Ｘ軸，Ｙ軸変位機構の動作を説明する図。 ローパスフィルタ効果を得るための振動波形の一例を示す図。 従来カメラにおける撮像素子回りの構造を示す図。 従来カメラにおける撮像ユニットとシャッタとの配置を示す図 ゴミを除去する際の振動波形の一例を示す図。 他の実施形態における変位機構を説明する図。 更に他の実施形態における変位機構を説明する図。

符号の説明

６ 撮像素子
７ 制御回路
８ 保護ガラス
１２ 支持基板
２０Ｘ Ｘ軸変位機構
２０Ｙ Ｙ軸変位機構
２１Ｘ，１２１Ｘ Ｘ軸アクチュエータ
２１Ｙ，１２１Ｙ，２２１ Ｙ軸アクチュエータ
２２，２３ 支持腕
２４ 連結板
１２３，２２２，２２３ 連結部材

Claims (11)

1. 被写体からの光束を受光して光電変換する撮像素子と、
   該撮像素子を微小変位させるためのアクチュエータと、
   前記アクチュエータの変位を拡大して前記撮像素子に伝達し、該撮像素子をその受光面に沿う方向に微小変位させる変位拡大機構とを具備することを特徴とする撮像装置。
2. 前記撮像素子をその受光面に沿い、かつ互いに交叉する２方向に変位させるべく、前記アクチュエータと前記変位拡大機構とを１対ずつ設けたことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記微小変位の繰り返しにより撮像素子を微小振動させることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記撮像素子の露光中に、被写体像の空間周波数成分が制限されるように前記撮像素子に前記微小振動を与えることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
5. 前記撮像素子の非露光中に、前記撮像素子に前記微小振動を与えることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
6. 前記変位拡大機構は、前記アクチュエータの変位によって回動する回動部材と、該回動部材の回動を直線運動に変換して前記撮像素子に伝達する伝達部材とを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の撮像装置。
7. 前記伝達部材を可撓性部材によって構成したことを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
8. 前記伝達部材、および該伝達部材と前記回動部材とを連結する部材を金属製の板ばねによって構成したことを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
9. 前記回動部材および前記伝達部材を、前記撮像素子を支持する支持部材に一体成形により形成したことを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
10. 前記アクチュエータは、印加電圧に応じて変位量および変位方向を制御可能な積層型圧電素子であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の撮像装置。
11. 前記アクチュエータは、前記撮像素子の一辺と平行に延在してその延在方向に変位し、前記変位拡大機構は、前記アクチュエータの変位を前記一辺と垂直な方向に変換して前記撮像素子に伝達することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の撮像装置。

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