JP2010079005A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機械的な可動部を用いない光学系により焦点距離を変化させることができる撮像装置の技術を提供する。
【解決手段】本撮像装置は、被写体側の第１のレンズ（凹レンズ２）、撮像素子側の第２のレンズ（凸レンズ７）、及び撮像素子８を備え、第１と第２のレンズの間の光路において調光ミラー（３，６）が配置される。調光ミラーは、印加電圧制御により、光の透過状態と反射状態とが切り替えられる。調光ミラーが透過状態の時、被写体側から、第１のレンズ、調光ミラー、及び第２のレンズを経由して撮像素子８に結像される第１の光路Ｐ１が形成され、調光ミラーが反射状態の時、更に反射素子（４，５）を経由して撮像素子８に結像される第２の光路Ｐ２が形成される。撮像素子８により、第１の光路Ｐ１による第１の画像を撮像し、第２の光路Ｐ２による第２の画像を撮像する。
【選択図】図１

Description

本発明は、カメラ（撮像装置）等に関し、特に、光学系や高解像度化処理に関する。

（１）ズームレンズ等の機械的な可動部を用いる光学系（機械補正方式）による撮像装置は、レンズ（可動部）を機械的に移動させることで焦点距離を変化させる。

特開２００４−２７９５５６号公報（特許文献４）には、機械的な可動部を有さずに焦点距離を変化させる撮像装置について記載されている。この技術では、撮像素子に対し焦点を同じくする２つの光学系を有し、各光学系に透過率可変素子を含む。

（２）高解像度化処理の従来技術例として、超解像処理がある。超解像処理においては、２枚以上の画像フレームの入力に基づき、入力画像フレーム中の被写体の動きに応じて画像フレームの画素数を増加して高解像度の出力画像フレームを得る処理を行う。

超解像処理の例について、特開平８−３３６０４６号公報（特許文献１）、特開平９−６９７５５号公報（特許文献２）、特開２００８−８５４１１号公報（特許文献３）等に記載されている。

（３）調光ミラーに関する技術として、非特許文献４等に記載されているものがある。この調光ミラー（エレクトロクロミックデバイス）は、電気的に光学特性が可変される素子（透過率可変素子）であり、印加電圧制御により光の透過状態と反射状態とを切り替え可能である。
特開平８−３３６０４６号公報 特開平９−６９７５５号公報 特開２００８−８５４１１号公報 特開２００４−２７９５５６号公報 青木伸 "複数のデジタル画像データによる超解像処理",Ricoh Technical Report pp.19-25, No.24, NOVEMBER, 1998 清水雅夫 "画像変形を表すNパラメータの高精度同時推定法と超解像への応用",Vol.45, No.SIG_13(CVIM_10)(20041215) pp. 83-98 社団法人情報処理学会 清水雅夫 "画像間モーションパラメータ同時推定法と超解像への応用", I-499,画像の認識・理解シンポジウム(MIRU2004) "調光ミラー"、産業技術総合研究所、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.aist.go.jp/aist_j/research/patent/2005/04_2/index.html＞

従来のズームレンズなどの機械的な可動部を用いる光学系による撮像装置は、可動部の空間を要するので、装置として必要なサイズが大きい。このような撮像装置を例えば携帯端末機器などの小さい機器に搭載することは難しい。

本発明の主な目的は、機械的な可動部を用いない光学系により焦点距離を変化させることができる撮像装置の技術を提供することである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。前記目的を達成するために、本発明の代表的な実施の形態は、モータ等の機械的な可動部を用いない光学系により焦点距離（光路距離）を変化させることができる撮像装置の技術であり、以下に示す構成を有することを特徴とする。

本撮像装置は、例えば、被写体側の第１のレンズ、撮像素子側の第２のレンズ、及び撮像素子を備える撮像装置であって、前記第１と第２のレンズの間の光路において調光ミラーが配置され、前記調光ミラーは、印加電圧制御により、光の透過状態と反射状態とが切り替えられる素子であり、前記調光ミラーが透過状態の時、前記被写体側から、前記第１のレンズ、前記調光ミラー、及び前記第２のレンズを経由して前記撮像素子に結像される第１の光路が形成され、前記調光ミラーが反射状態の時、前記被写体側から、前記第１のレンズ、前記調光ミラー、反射素子、及び前記第２のレンズを経由して前記撮像素子に結像される第２の光路が形成され、前記第１と第２のレンズの間において前記第１の光路よりも前記第２の光路の方が長く、前記撮像素子により、前記第１の光路による第１の画像を撮像し、前記第２の光路による第２の画像を撮像すること、を特徴とする。

本撮像装置は、被写体側のレンズと撮像素子との間の光路において調光ミラーを設け、調光ミラーの状態を電気的に制御（印加電圧制御）することで、被写体側のレンズから撮像素子までの焦点距離（光路距離）を変化させる構成である。調光ミラーは、印加電圧を変化させることで、高い可視光透過率の透過（透明）状態と、高い可視光反射率（低い可視光透過率）の反射（鏡）状態との間で変化する特性を持つ。

本撮像装置において、調光ミラーの透過状態時に形成される第１の光路と、反射状態時に形成される第２の光路とを有し、第１と第２の光路は、光路距離が異なる。各素子の配置により、例えば第１の光路に対し、第２の光路では光路距離が伸び少し長い。

本撮像装置は、例えば瞬時に上記調光ミラーの２つの状態を切り替え、焦点距離の異なる第１と第２の光路に応じた２種類の画像（第１と第２の画像）を撮像素子により撮影する。撮像素子において、相対的に短い第１の光路を通じて、第１の画像が得られ、また、相対的に長い第２の光路を通じて、第１の画像とは大きさが異なり相似である第２の画像が得られる。

更に、本撮像装置は、上記２種類の画像のデータを用いて、所定の処理を施すようにしてもよい。例えば、本撮像装置は、２種類の画像のデータを用いて、撮像素子の持つ解像度よりも高い解像度の画像を得る高解像度化処理を行う。この高解像度化処理は、例えば超解像処理を用いる。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。本発明の代表的な実施の形態によれば、機械的な可動部を用いない光学系により焦点距離を変化させることができる撮像装置を実現できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部には原則として同一符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

本実施の形態の撮像装置に関する要点などは以下である。

従来技術では、静止した被写体をカメラ（撮像装置）によって撮影した場合、その２つの連続したフレーム（画像）の内容が大きく変化せず、これらのフレームに対し仮に超解像処理（高解像度化処理）を適用しても効果が小さい可能性がある。また、複数のフレームを用いて超解像処理（高解像度化処理）を行う際、物体（被写体）の動きが不定であるので、その検索の処理（サブ画素探索処理など）のために、計算量が大きくなるといった問題がある。

このような問題に対し、本実施の形態の撮像装置では、図１等に示すように、印加電圧を変化させることで調光ミラーの状態を透明と鏡とで変化させることにより光の経路を２つに分け、被写体側のレンズの通過後から撮像素子までの光路距離を変化させる。これにより、本カメラや被写体が静止していても、本カメラで撮影された画像は、大きさが異なる２つの画像による映像になる。これにより当該２つの画像に対する超解像処理（高解像度化処理）の効果が大きくなる。また、上記撮影された２つの画像は大きさが異なる相似な絵となり、奥行き方向のみの検索の処理となるので、計算量が削減される。

（実施の形態１）
図１等を用いて、本発明の実施の形態１の撮像装置（超解像カメラ）について説明する。図１において、本撮像装置の構成を示している。本撮像装置は、超解像による高解像度撮影機能付きのカメラである。本撮像装置は、撮像部１と処理部１００を備える。撮像部１は、被写体側ａから順に、第１の方向Ｄｘにおける第１の光路Ｐ１において、凹レンズ（対物レンズ）２、調光ミラー（第１の調光ミラー）３、調光ミラー（第２の調光ミラー）６、凸レンズ（変倍レンズ）７、及び撮像素子８が配置されている。また、第１の方向Ｄｘの第１の光路Ｐ１におけるそれぞれの調光ミラー３，６に対し直交する第２の方向Ｄｙを経由する第２の光路Ｐ２を有する。第２の光路Ｐ２において、調光ミラー３，６に対し９０度の位置にミラー（反射素子）４，５が配置されている。第１の調光ミラー３で９０度反射された光は、第１のミラー４で９０度反射されて第１の方向Ｄｘに進み、第２のミラー５で９０度反射され第２の方向Ｄｙを戻り、第２の調光ミラー６で９０度反射され、第１の光路Ｐ１に重なる。

処理部１００は、コントローラ９、スイッチ１０、第１のフレームバッファ（第１画像格納部）１１、第２のフレームバッファ（第２画像格納部）１２、高解像度化処理回路１３（例えばサブ画素探索回路などを含む）等を備える回路である。処理部１００は、例えばＩＣ化された構成である。撮像素子８の出力（撮影した画像の信号）は、スイッチ１０に接続されている。

それぞれの調光ミラー３，６は、コントローラ９からの制御（ｃ１，ｃ２）により印加される電圧により、高い可視光透過率の透明状態（第１の状態）と、高い可視光反射率の鏡状態（第２の状態）とが切り替えられる光学素子（エレクトロクロミックデバイス）である。調光ミラー３，６に関しては、公知技術を使用することができる。尚わかりやすいように調光ミラーをミラー等に対し区別して丸印（制御入力有りを示す）を付けて図示する。

第１の光路Ｐ１は、両方の調光ミラー３，６が透明状態の時に形成され、相対的に短い直線状である。第１の光路Ｐ１では、被写体側ａから、凹レンズ２、第１の調光ミラー３、第２の調光ミラー６、凸レンズ７の順で経由し、撮像素子８に入力される。

第２の光路Ｐ２は、両方の調光ミラー３，６が鏡状態の時に形成され、相対的に長い、凸状に迂回する形状である。第２の光路Ｐ２では、被写体側ａから、凹レンズ２、第１の調光ミラー３、第１のミラー４、第２のミラー５、第２の調光ミラー６、凸レンズ７の順で経由し、撮像素子８に入力される。

各調光ミラー及びミラー等の素子（３，４，５，６）は、光軸（第１の方向Ｄｘ）に対して例えば４５度傾いた配置である。尚この傾斜角度は適宜変更が可能である。凹レンズ２、ミラー５，６、凸レンズ７、撮像素子８等は従来技術である。ミラー５，６は高い可視光反射率の特性を持つ。

コントローラ９からの印加電圧制御により、両方の調光ミラー３，６が透明状態にされる時、被写体側ａからの光は、凹レンズ２から凸レンズ７に至る直線的な第１の光路Ｐ１を通り、撮像素子８に第１の像（第１の画像Ｇ１）を結ぶ。

また、コントローラ９からの印加電圧制御により、両方の調光ミラー３，６が鏡状態にされる時、被写体側ａから凹レンズ２を通った光は、各素子（３，４，５，６）で９０度反射されて凸レンズ７に至る第２の光路Ｐ２を通り、撮像素子８に第２の像（第２の画像Ｇ２）を結ぶ。

第２の光路Ｐ２は、第１の光路Ｐ１よりも、ミラー４，５を経由する分、凹レンズ２と凸レンズ７との間の光路距離が大きくなる。第２の方向Ｄｙにおける調光ミラー３，６とミラー４，５との距離をＹとすると、第１の経路Ｐ１と第２の経路Ｐ２との光路距離の差は２Ｙである。そのため、第２の光路Ｐ２の時は、撮像素子８に結ぶ像（Ｇ２）の大きさが、第１の光路Ｐ１の時の像（Ｇ１）と比較して小さくなる。

コントローラ９は、制御により第１の光路Ｐ１を選択した場合、スイッチ１０を第１のフレームバッファ（第１画像格納部）１１側に切り替えて撮像素子８からの第１の画像（Ｇ１）のデータを格納する。また、コントローラ９は、制御により第２の光路Ｐ２を選択した場合、スイッチ１０を第２のフレームバッファ（第２画像格納部）１２側に切り替えて撮像素子８からの第２の画像（Ｇ２）のデータを格納する。

第１の光路Ｐ１により第１のフレームバッファ１１に格納する第１の画像Ｇ１を、原画像と称する。第２の光路Ｐ２により第２のフレームバッファ１２に格納する第２の画像Ｇ２を、相似画像と称する。第２の画像Ｇ２は、原画像（第１の画像Ｇ１）に対しほぼ相似で大きさが少し小さい画像となる。

このように、本撮像装置は、原画像（Ｇ１）と、それにほぼ相似で大きさの異なる相似画像（Ｇ２）との２つの画像を得る。本撮像装置（コントローラ９）は、上記２つの光路（調光ミラー３，６の状態）の切り替え及び撮影を例えば即時（瞬時）に行う。もしくは、当該切り替え及び撮影を、ある一定の時間間隔によって行うようにしてもよい。

また、処理部１００において、上記２つの画像（Ｇ１，Ｇ２）のデータを入力として、高解像度化処理回路１３により高解像度化処理（後述）を行い、これにより高解像度化された画像（Ｇ３）を得ることができる。得られた画像（Ｇ３）のデータは、外部（例えばストレージ）へ出力可能である。

なお、光学系及び撮像素子８を含む撮像部１と、高解像度化処理回路１３などを含む処理部１００とを別の装置として構成し、それらを接続して使用するシステムなども可能である。

図２を用いて、２群ズームレンズと呼ばれるズームレンズ（レンズの機械的な移動を含む光学系）の原理を説明する。図２（ａ）は望遠（テレ）、図２（ｂ）は広角（ワイド）を示す。図２（ａ）テレの場合、焦点位置Ｆに像ｇ１が結ばれるとする。被写体側ａから、凹レンズ２１、凸レンズ２２が配置されており、それらのレンズ間距離がＬ１とする。この時、凸レンズ２２と焦点位置Ｆとの距離（焦点距離）をＤ１とする。

図２（ｂ）ワイドの場合、図２（ａ）と比較して、凹レンズ２１と凸レンズ２２の両者を互いに遠ざかる方向に移動させてレンズ間距離をＬ１からＬ２へ延ばした場合、図２（ａ）と同じ焦点位置Ｆに、図２（ａ）の場合の像ｇ１よりも縮小された像ｇ２が結ばれる。この時、凸レンズ２２と焦点位置Ｆとの距離（焦点距離）をＤ２とする（Ｄ２＜Ｄ１）。

続いて、図３を用いて、図２とは異なり凸レンズ２２を固定する場合における、テレとワイドにおける焦点位置のズレについて説明する。

図３（ａ）テレの場合、図２（ａ）と同様である。焦点位置Ｆ１に像ｇ１が結ばれるとする。凸レンズ２２の位置を固定としてＢ１とする。

図３（ｂ）ワイドの場合、凸レンズ２２の位置Ｂ１を固定したまま、凹レンズ２１を、両レンズ（２１，２２）間の距離Ｌ１が大きくなるように動かす（Ｌ１→Ｌ１’）。即ち凹レンズ２１をａへ向かって移動させる。この場合、図２と同じく、図３（ａ）の像ｇ１に比較して小さい像ｇ２が結ばれる。ただし、この像ｇ２の焦点位置Ｆ２は、図３（ａ）の焦点位置Ｆ１とは異なる。即ち、凸レンズ２２の位置Ｂ１から距離Ｄ１’の位置が焦点位置Ｆ２となる（Ｄ１’＜Ｄ１）。焦点位置Ｆ１と焦点位置Ｆ２とのズレの距離をＬ３とする。

上記原理では、レンズ（凹レンズ２１）を機械的に移動させることで、レンズ間距離を変更し、焦点位置に結ぶ像の大きさを変えている。一方、本実施の形態では、特徴として、レンズを機械的に移動させることなく、調光ミラー３，６を用いることにより、レンズ間距離（凹レンズ２と凸レンズ７の間の光路距離）を変更し、これにより撮像素子８に結ぶ像の大きさを変えるものである。図１において、調光ミラー３，６を透明状態にして第１の光路Ｐ１を選択した場合は、ちょうど、図３（ａ）テレの場合に該当し、調光ミラー３，６を鏡状態にして第２の光路Ｐ２を選択した場合は、ちょうど、図３（ｂ）ワイドの場合に該当する。

このような原理に基づき、実施の形態１（図１）の構成により、機械的な可動部を用いずに、２つの画像（Ｇ１，Ｇ２）及び高解像度化された高品位の画像（Ｇ３）が得られる。

（実施の形態２）
次に、図４等を用いて、実施の形態２の撮像装置について説明する。図４において、実施の形態２の撮像装置の撮像部１を示している。

前記実施の形態１（図１）の構成において第２の光路Ｐ２を選択すると、原画像（Ｇ１）に比較して小さな相似画像（Ｇ２）を得ることが可能であるが、図３（ａ），（ｂ）に示すように焦点位置（Ｆ１，Ｆ２）が変わってしまい、撮像素子８上にピントのぼけた画像が結ばれる可能性がある。

そこで、実施の形態２では、そのための焦点位置補正（焦点補正）を行う構成である。まず図３で原理を示せば、図３（ｃ）のように、凹レンズ２１と凸レンズ２２との間に、焦点補正を行う光学素子（焦点補正用光学素子）２３を配置する。この焦点補正用光学素子２３として、実施の形態２では、図４に示すように、凹レンズ２と凸レンズ７との間、第２の光路Ｐ２の途中に、焦点補正用の凹レンズ２４を配置する。この凹レンズ２４は、焦点補正が可能であれば、他の光学素子を用いても構わない。

図４の撮像部１において、図１の構成との違いは、第２の光路Ｐ２上、特にミラー４とミラー５の間に、焦点補正用の凹レンズ２４が配置されていることである。上記焦点補正用光学素子２３（凹レンズ２４）により焦点補正した結果、図３（ｃ）に示すように、焦点位置Ｆ３に像ｇ３が結ばれる。凸レンズ２２と焦点位置Ｆ３との距離がＤ１’からＤ１’’に補正されている（Ｄ１’’≒Ｄ１）。

上記焦点補正により、実施の形態２では、第１の光路Ｐ１の時、像ｇ１に相当する第１の画像Ｇ１が得られ、第２の光路Ｐ２の時、像ｇ３に相当する第２の画像Ｇ２が得られる。

また、上記焦点補正により、図３（ｃ）の焦点位置Ｆ３について、図３（ａ）の場合とまったく同じ焦点位置Ｆ１に結像するようにした場合（Ｄ１’’＝Ｄ１）、像ｇ１と像ｇ３がまったく同じ大きさの像になる。

このように２つの像（ｇ１，ｇ３）の大きさが一致してしまう場合、即ち実施の形態２の画像Ｇ１，Ｇ２の被写体の大きさが一致してしまう場合、高解像度化処理回路１３による処理が意味をなさなくなる。高解像度化処理においては、入力とする２つの画像（Ｇ１，Ｇ２）の大きさが１画素分でも異なるのであれば、画質向上効果が得られる。しかし、上記一致してしまう場合のように入力画像間に差異が無い場合は高解像度化処理が不可能であり、画質向上効果は得られない。

従って、本実施の形態２で光学素子２３（凹レンズ２４）により補正する焦点位置Ｆ３については、図３（ａ）テレの場合の焦点位置Ｆ１とは完全には一致しないように、即ち少しだけズレを持つように設計する。これにより、高解像度化処理回路１３による処理が有効となる。

なお、第２の光路Ｐ２により撮像素子８上に結ぶ像ｇ３（Ｇ２）は、像ｇ１（Ｇ１）に対して僅かにピントがずれていたとしても、高解像度化処理回路１３での処理（サブ画素探索処理（画素サンプリング処理）など）には大きな影響を与えない。即ち高解像度化処理を問題無く行うことができる。

上記焦点補正を行う実施の形態２の構成によって、僅かに大きさの異なる２つの画像（Ｇ１，Ｇ２）を得ることができ、これらを用いて高解像度化処理により高品位の画像（Ｇ３）を得ることができる。

高解像度化処理回路１３による高解像度化処理について補足する。本高解像度化処理は、公知の超解像処理（例えば特許文献１，２、非特許文献１，２，３等を参照）を適用することができる。実施の形態の構成により、被写体や撮像装置の位置に動きが無くても超解像処理を行うことができる。

高解像度化処理回路１３での高解像度化処理において、例えば、画像間の位置合わせ処理（サブ画素探索処理）、及び超解像処理（画素補間処理などを含む）などの必要な処理を含む。

位置合わせ処理（サブ画素探索処理）では、動きベクトル探索アルゴリズム等を用いる（例えば非特許文献２）。位置合わせ処理（サブ画素探索処理）では、原画像（第１の画像Ｇ１）の各画素が、相似画像（第２の画像Ｇ２）においてどの位置に移動しているかを、１画素以下の単位（サブ画素、例えば１／２画素や１／４画素など）で探索する処理、言い換えれば２つの画像（Ｇ１，Ｇ２）間の被写体の動き（関係）の計算を行う。サブ画素は、各画素の中間の画素位置を仮想的に表したものである。

高解像度化処理回路１３での超解像処理により、入力された複数の画像フレーム（本実施の形態の２つの画像Ｇ１，Ｇ２）を合成し、画素数を増やして高解像度化した、元の解像度（撮像素子８が持つ解像度）よりも高い解像度の１枚の画像（Ｇ３）を得る。

なお、本実施の形態では、特徴として、画像処理の拡大・縮小処理による被写体の大小ではなく、光軸（光路）の長さの変化や、レンズによる被写体の大小（２つの画像Ｇ１，Ｇ２）によるものであり、画素は離散的である。よって、上記位置合わせ処理によって大画像（Ｇ１）を縮小して小画像（Ｇ２）に合わせる際、２つの画像は完全に同じにはならない。従って、これらの画像に対する超解像処理が有効である。

また、本実施の形態で、コントローラ９による瞬時の切り替え制御であっても、調光ミラー３，６の状態変化に要する時間がかかるため、時間軸上の２つの画像フレーム（Ｇ１，Ｇ２）が得られる。従って、これらの画像に対する超解像処理が有効である。

また、得られた２つの画像（Ｇ１，Ｇ２）のうち一方の画像にしか写っていない領域（対応点が見つからない領域）については、その画素領域をそのまま出力する方法、あるいは、１枚による超解像処理を適用する方法、等により対応する。

（実施の形態３）
次に、図５において、実施の形態３の撮像装置の撮像部１の構成を示している。図５に示す実施の形態３では、前記実施の形態２（図４）の構成に対し、第２の調光ミラー６を、ハーフミラー２５に置き換えて、調光ミラーを１つにした構成である。実施の形態３では、調光ミラーの数を１つにできる利点がある。

図５のハーフミラー２５は、特性として、第１の光路Ｐ１の調光ミラー３側からの光についてはそのまま透過し、第２の光路Ｐ２のミラー５側からの光については反射する。調光ミラー３が透明状態の時、光は第１の光路Ｐ１を経て、ハーフミラー２５を通り、撮像素子８に向かう。この時、第２の光路Ｐ２からの光は、ハーフミラー２５に対し、わずかしか届かないため、ハーフミラー２５は、単に第１の光路Ｐ１の光を通すだけである。一方、調光ミラー３が鏡状態の時、光は第２の光路Ｐ２を経て、ミラー５側からハーフミラー２５に入射する。この時、第１の光路Ｐ１を経てハーフミラー２５に入射する光はわずかである。よって、第２の光路Ｐ２からの光は、ハーフミラー２５により９０度反射されて、撮像素子８へ向かう。

（実施の形態４）
次に、図６等を用いて、実施の形態４について説明する。図６において、実施の形態４の撮像装置の撮像部１の構成を示している。実施の形態４では、複数の調光ミラーを含んでなる積層調光ミラーを用いて光路距離を変化させる構成である。

前記図１（実施の形態１）において、第１の光路Ｐ１と第２の光路Ｐ２との光路距離の差は、第１の調光ミラー３と第１のミラー４との距離Ｙ、及び第２のミラー５と第２の調光ミラー６との距離Ｙの合計２Ｙである。従って、第１の光路Ｐ１と第２の光路Ｐ２との光路距離の差２Ｙが比較的大きく、例えば図４（実施の形態２）の構成のように焦点位置補正の必要があった。

図６に示す実施の形態４では、被写体側ａから凹レンズ２を経て入射する光は、第１のミラー３１によって反射（９０度）され、第２の方向Ｄｙ、第１の積層調光ミラー３２に向かう。第１の積層調光ミラー３２では、印加電圧コントローラ３０（前記コントローラ９と同じでもよい）からの印加電圧制御により選択される所望の反射状態で光が反射（９０度）される。第１の積層調光ミラー３２によって反射された光は、第１の方向Ｄｘ、第２の積層調光ミラー３３に向かう。第２の積層調光ミラー３３においても同様に所望の反射状態で光が反射（９０度）され、第２の方向Ｄｙを戻り第２のミラー３４へ向かう。第２の積層調光ミラー３３からの光は、第２のミラー３４で反射（９０度）され、凸レンズ７を経て撮像素子８へ入射する。

このように、実施の形態４では、基本的な光路Ｐは１つであるが、積層調光ミラー３２，３３での反射状態を印加電圧コントローラ３０によって選択制御することで、レンズ（２，７）間の光路距離が変化する。なお積層調光ミラー３２，３３は同様の構成である。

図７において、積層調光ミラー３２，３３（特に第１の積層調光ミラー３２）の詳しい構成例を示している。積層調光ミラー３２は、基盤と調光薄膜からなる調光ミラー部を、複数、積層した構造であり、それぞれの調光ミラー部の状態（透過と反射）が、印加電圧コントローラ３０により制御される。例えば、基盤４１（光透過性のガラス等）と、基盤４１面に形成される調光薄膜５１とからなる調光ミラー部ｓ１が、前面に設けられ、同様の調光ミラー部ｓ２，ｓ３，ｓ４が背面側に順に密着して積層されている。複数の調光ミラー部（ｓ１〜ｓ４）による複数の各面（調光薄膜）は、実施の形態１等と同様の調光ミラーの特性を有する。調光薄膜は、印加電圧コントローラ３０により印加電圧が制御され、これにより透明状態と反射状態とが切り替えられる。なお、それぞれの調光薄膜（５１〜５４）は、図７では基盤（４１〜４４）と比較して相応の厚みがあるように示しているが、実際にはごく薄く、そのため、調光ミラー部（ｓ１〜ｓ４）の厚みは、ほぼ基盤（４１〜４４）の厚みによって表されると考えてよい。調光ミラー部（基盤）の厚みをｄとする。

光路Ｐにおいて、積層調光ミラー３２に対し、第２の方向Ｄｙでの入射経路（入射光、第１のミラー３１で反射された光）、及び第１の方向Ｄｘでの出射経路（出射光）を有する。出射経路（出射光）は、積層調光ミラー３２のうち選択された調光ミラー部による反射光であり、制御状態に応じて複数、本例ではＰ１１〜Ｐ１４の４つを有する。なお、積層調光ミラー３２に対する光の入射角度θ（積層調光ミラー３２の配置傾斜角度）を４５度としている。この角度θは特に限定されない。

積層調光ミラー３２，３３では、複数の面（ｓ１〜ｓ４）のうちある面が鏡状態（他の面は透明状態）のときの光路長と、それとは異なる面が鏡状態（他の面は透明状態）のときの光路長とにおいて、それらの光路長を僅かに変化させることができる。

反射面（ｓ１〜ｓ４）の選択制御により、第１の調光薄膜５１を鏡状態にすると、入射光は、第１の調光薄膜５１で反射され、第１の反射光（出射経路）Ｐ１１となる。第１の調光薄膜５１を透明状態、且つ第２の調光薄膜５２を鏡状態にすると、入射光は、第２の調光薄膜５２で反射され、第２の反射光（出射経路）Ｐ１２となる。第１の調光薄膜５１及び第２の調光薄膜５２を透明状態、且つ第３の調光薄膜５３を鏡状態にすると、入射光は、第３の調光薄膜５３で反射され、第３の反射光（出射経路）Ｐ１３となる。第１の調光薄膜５１、第２の調光薄膜５２、及び第３の調光薄膜５３を透明状態、且つ第４の調光薄膜５４を鏡状態にすると、入射光は、第４の調光薄膜５４で反射され、第４の反射光（出射経路）Ｐ１４となる。

図７のｎで示す距離は、隣接する光路距離の差である。ｎはＹよりもずっと小さい。例えば、第１の面（ｓ１）を反射状態とした時の第１の光路長（出射経路Ｐ１１）と、第２の面（ｓ２）を反射状態とした時の第２の光路長（出射経路Ｐ１２）とにおいて、それらの光路距離の差がｎである。また、調光ミラー部（基盤）の厚さｄ、傾斜角度θ＝４５度に基づき、ｎ＝√２×ｄである。

第１の積層調光ミラー３２且つ第２の積層調光ミラー３３における第１の調光ミラー部（ｓ１）を反射状態にしたときの光路（Ｐ１１）の光路距離を基準にする。印加電圧コントローラ３０により２つの積層調光ミラー３２，３３を同時に、同様の状態に制御する。これにより、隣接する光路における光路距離の差は、２ｎとなる。同様に、積層調光ミラー３２，３３の各面の選択制御により、光路距離の差を、基準０に対し、２ｎ，４ｎ，６ｎといったように変化させることができる。

なお、本実施の形態４のようにすべての調光ミラー部（ｓ１〜ｓ４）（基盤（４１〜４４））の厚さ（ｄ）を同じ構成としてもよいし、変形例として、それらの厚さ（ｄ）を異ならせることで隣接の光路の距離の差を異ならせる構成としてもよい。前述の厚さ（ｄ）、傾斜角度（θ）、積層数などを変更した構成により、様々な光路距離を選択可能な構成とすることができる。

このように、本実施の形態４では、光路Ｐ全体において、積層調光ミラー３２，３３の制御により、基準となる光路長（Ｐ１１）に対して僅かな距離の違い（２ｎ）を加えることにより、撮像素子８上に少しずつ異なる大きさを持つ複数の像、例えば画像Ｇ１１〜Ｇ１４の４つを結ぶことができる。また、これら複数の像（Ｇ１１〜Ｇ１４）を用いて、前述同様に、処理部１００で高解像度化処理を行うことで、高解像度化された画像（Ｇ３）を得ることができる。

なお、実施の形態４では、光路距離の変化が僅かなので、前記図３，図４を用いて説明したような焦点補正手段を必要としない。

（実施の形態５）
次に、図８において、実施の形態５の撮像装置の撮像部１の構成を示している。前述の実施の形態では撮像素子８を１つとしたが、実施の形態５では、２つ以上の撮像素子（それに対応する光学系及び光路）、図８では３つの撮像素子８１〜８３を設け、前述同様に調光ミラーを用いて光路を切り替える構成である。２つ以上の撮像素子を備えることで、前述同様の電気的制御により、ほぼ同時に、それら撮像素子ごとに相似な画像、本例では３つの撮像素子８１〜８３での３つの画像（Ｇ２１〜Ｇ２３）を得ることができる。また、取得した映像（Ｇ２１〜Ｇ２３）を用いて、前述同様に処理部１００の高解像度化処理回路１３での処理を行い高解像度化された画像（Ｇ３）を得ることができる。

図８の構成において、被写体側ａから、凹レンズ２を経て、それぞれの凸レンズ７１〜７３及び撮像素子８１〜８３へ入射する、３つのそれぞれの光路Ｐ２１〜Ｐ２３を有する。まず、第１の方向Ｄｘの直線状の第１の光路Ｐ２１において、被写体側ａから順に、凹レンズ２、第１の調光ミラー６１、第１の凸レンズ７１、第１の撮像素子８１が配置されている。第１の光路Ｐ２１は、第１の調光ミラー６１が透過状態の時に形成され、第１の凸レンズ７１を経由して第１の撮像素子８１に入射し第１の画像Ｇ２１が結ばれる。

また、第２の方向Ｄｙでは、第１の光路Ｐ２１に対して並列に、所定の距離（Ｙ１，Ｙ２）を置いて、第２の光路Ｐ２２、第３の光路Ｐ２３が形成される。第１の光路Ｐ２１の調光ミラー６１、凸レンズ７１、撮像素子８１の位置に対応して、それぞれの光路の各素子が配置されている。

第２の光路Ｐ２２は、第１の調光ミラー６１が鏡状態で且つ第２の調光ミラー６２が鏡状態の時に形成され、第２の凸レンズ７２を経由して第２の撮像素子８２に入射し第２の画像Ｇ２２が結ばれる。第１の光路Ｐ２１と第２の光路Ｐ２２の光路距離の差はＹ１である。

第３の光路Ｐ２３は、第１の調光ミラー６１が鏡状態で且つ第２の調光ミラー６２が透明状態の時に形成され、ミラー６３で反射された光が第３の凸レンズ７３を経由して第３の撮像素子８３に入射し第３の画像Ｇ２３が結ばれる。第２の光路Ｐ２２と第３の光路Ｐ２３の光路距離の差はＹ２である。

（実施の形態６）
次に、図９において、実施の形態６の撮像装置の撮像部１の構成を示している。実施の形態６では、実施の形態５（図８）の構成に、焦点補正用光学素子９１，９２を追加配置した構成である。焦点補正用光学素子９１，９２の役割は前述同様（図３，図４等）である。

図９において、第２の光路Ｐ２２上、第２の調光ミラー６２と第２の撮像素子８２（凸レンズ７２）との間に、第１の焦点補正用光学素子９１（凹レンズ）が配置される。第３の光路Ｐ２３上、ミラー６３と第３の撮像素子８３（凸レンズ７３）との間に、第２の焦点補正用光学素子９２が配置される。

上記焦点補正によって、３つの撮像素子８１〜８３で、僅かに大きさの異なる３つの画像（Ｇ２１〜Ｇ２３）を得ることができ、これらを用いて前述同様に高解像度化処理による画像（Ｇ３）を得ることができる。

（実施の形態７）
次に、図１０において、実施の形態７の撮像装置の撮像部１の構成を示している。実施の形態７の構成では、実施の形態６（図９）の構成における焦点補正用光学素子（９１，９２）等の要素を、積層調光ミラー６４，６５によって置き換えた構成である。

図１０において、第２の光路Ｐ２２上、前記第２の調光ミラー６２に代わり、第１の積層調光ミラー６４が配置され、その後には前記第１の焦点補正用光学素子９１は配置されない。また、第３の光路Ｐ２３上、前記ミラー６３に代わり、第２の積層調光ミラー６５が配置され、その後には前記第２の焦点補正用光学素子９２は配置されない。

積層調光ミラー６４，６５は、前述同様（図７等）の構成であり、印加電圧制御により、僅かな光路距離の差を利用して、焦点補正が可能である。

上記焦点補正によって、３つの撮像素子８１〜８３で、僅かに大きさの異なる３つの画像（Ｇ２１〜Ｇ２３）を得ることができ、これらを用いて前述同様に高解像度化処理による高品位の画像（Ｇ３）を得ることができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

本発明は、撮像装置及びそれを搭載する機器などに利用可能である。

本発明の実施の形態１である撮像装置の構成を示す図である。 一般的なズームレンズの原理（レンズを機械的に移動させる場合）を示す図であり、（ａ）は望遠（テレ）、（ｂ）は広角（ワイド）の場合である。 一般的なズームレンズの原理（レンズを固定させる場合、及び焦点位置補正を行う場合）を示す図であり、（ａ）は望遠（テレ）、（ｂ）は広角（ワイド）、（ｃ）は広角（ワイド）で焦点位置補正を行う場合である。 本発明の実施の形態２である撮像装置の撮像部の構成を示す図である。 本発明の実施の形態３である撮像装置の撮像部の構成を示す図である。 本発明の実施の形態４である撮像装置の撮像部の構成を示す図である。 実施の形態４における積層調光ミラーの詳しい構成例を示す図である。 本発明の実施の形態５である撮像装置の撮像部の構成を示す図である。 本発明の実施の形態６である撮像装置の撮像部の構成を示す図である。 本発明の実施の形態７である撮像装置の撮像部の構成を示す図である。

符号の説明

１…撮像部、２…凹レンズ、３，６…調光ミラー、４，５…ミラー、７…凸レンズ、８…撮像素子、９…コントローラ、１０…スイッチ、１１，１２…フレームバッファ、１３…高解像度化処理回路、２１…凹レンズ、２２…凸レンズ、２３…光学素子（焦点補正用光学素子）、２４…凹レンズ、２５…ハーフミラー、３１，３４…ミラー、３２，３３…積層調光ミラー、３０…印加電圧コントローラ、４１〜４４…基盤、５１〜５４…調光薄膜、６１，６２…調光ミラー、６３…ミラー、６４，６５…積層調光ミラー、７１〜７３…凸レンズ、８１〜８３…撮像素子、９１，９２…光学素子（焦点補正用光学素子）、１００…処理部、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ１１〜Ｐ１４，Ｐ２１〜Ｐ２３…光路、Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３…画像。

Claims (12)

1. 被写体側の第１のレンズ、撮像素子側の第２のレンズ、及び撮像素子を備える撮像装置であって、
   前記第１と第２のレンズの間の光路において調光ミラー及び反射素子が配置され、
   前記調光ミラーは、印加電圧制御により、光の透過状態と反射状態とが切り替えられる素子であり、
   前記調光ミラーが透過状態の時、前記被写体側から、前記第１のレンズ、前記調光ミラー、及び前記第２のレンズを経由して前記撮像素子に結像される第１の光路が形成され、
   前記調光ミラーが反射状態の時、前記被写体側から、前記第１のレンズ、前記調光ミラー、前記反射素子、及び前記第２のレンズを経由して前記撮像素子に結像される第２の光路が形成され、
   前記第１と第２のレンズの間において前記第１の光路よりも前記第２の光路の方が長く、
   前記撮像素子により、前記第１の光路による第１の画像を撮像し、前記第２の光路による第２の画像を撮像すること、を特徴とする撮像装置。
2. 請求項１記載の撮像装置において、
   前記調光ミラーの状態を瞬時に切り替えることで、前記第１の光路による第１の画像と、前記第２の光路による第２の画像とを撮像すること、を特徴とする撮像装置。
3. 請求項２記載の撮像装置において、
   前記撮像された第１と第２の画像を入力として高解像度化処理を行い高解像度化された第３の画像を出力する高解像度化処理回路を有すること、を特徴とする撮像装置。
4. 請求項３記載の撮像装置において、
   前記高解像度化処理回路による処理は、前記撮像素子が持つ解像度よりも高い解像度による前記第３の画像を生成する、超解像処理であること、を特徴とする撮像装置。
5. 請求項１記載の撮像装置において、
   前記第１と第２のレンズの間において、直線的な第１の方向に、前記調光ミラーである、第１の調光ミラーと、第２の調光ミラーとが配置され、
   前記第１の方向に対し交差する第２の方向において、前記第１の調光ミラーで反射された位置に、前記反射素子である第１の反射素子が配置され、
   前記第１の反射素子で反射された位置に、前記反射素子である第２の反射素子が配置され、
   前記第２の反射素子で反射された位置に、前記第２の調光ミラーが配置され、
   前記第１の光路では、前記被写体側からの光が、順に、前記第１のレンズ、前記第１の調光ミラー、前記第２の調光ミラー、及び前記第２のレンズでそれぞれ透過され、
   前記第２の光路では、前記被写体側からの光が、順に、前記第１のレンズで透過され、前記第１の調光ミラーで反射され、前記第１の反射素子で反射され、前記第２の反射素子で反射され、前記第２の調光ミラーで反射され、前記第２のレンズで透過されること、を特徴とする撮像装置。
6. 請求項５記載の撮像装置において、
   前記第２の光路において、前記第１と第２の反射素子の間に、前記撮像素子に対する焦点位置補正のための焦点補正用光学素子が配置されること、を特徴とする撮像装置。
7. 請求項１記載の撮像装置において、
   前記第１と第２のレンズの間において、直線的な第１の方向に、前記調光ミラーである第１の調光ミラーと、ハーフミラーとが配置され、
   前記ハーフミラーは、一方の面で光を透過し、他方の面で光を反射する特性を有し、
   前記第１の方向に対し交差する第２の方向において、前記第１の調光ミラーで反射された位置に、前記反射素子である第１の反射素子が配置され、
   前記第１の反射素子で反射された位置に、前記反射素子である第２の反射素子が配置され、
   前記第２の反射素子で反射された位置に、前記ハーフミラーが配置され、
   前記第１と第２の反射素子の間に、前記撮像素子に対する焦点位置補正のための焦点補正用光学素子が配置され、
   前記第１の光路では、前記被写体側からの光が、順に、前記第１のレンズ、前記第１の調光ミラー、前記ハーフミラー、及び前記第２のレンズでそれぞれ透過され、
   前記第２の光路では、前記被写体側からの光が、順に、前記第１のレンズで透過され、前記第１の調光ミラーで反射され、前記第１の反射素子で反射され、前記焦点補正用光学素子で透過され、前記第２の反射素子で反射され、前記ハーフミラーで反射され、前記第２のレンズで透過されること、を特徴とする撮像装置。
8. 被写体側の第１のレンズ、撮像素子側の第２のレンズ、及び撮像素子を備える撮像装置であって、
   前記第１と第２のレンズの間の光路において、積層調光ミラーが配置され、
   前記積層調光ミラーは、複数の調光ミラー部の積層から成り、
   前記複数の調光ミラー部の各々は、印加電圧制御により、光の透過状態と反射状態とが切り替えられる素子であり、
   前記複数の調光ミラー部の各々の状態の選択により、前記第１と第２のレンズの間の光路の距離が異なる複数の光路が形成され、
   前記積層調光ミラーの第１層が反射状態の時、前記被写体側から、前記第１のレンズ、前記積層調光ミラー、及び前記第２のレンズを経由して前記撮像素子に結像される第１の光路が形成され、
   前記積層調光ミラーの第１層が透過状態で第２層が反射状態の時、前記被写体側から、前記第１のレンズ、前記積層調光ミラー、及び前記第２のレンズを経由して前記撮像素子に結像される第２の光路が形成され、
   前記第１と第２のレンズの間において前記第１の光路よりも前記第２の光路の方が長く、
   前記撮像素子により、前記第１の光路による第１の画像を撮像し、前記第２の光路による第２の画像を撮像すること、を特徴とする撮像装置。
9. 請求項８記載の撮像装置において、
   前記第１と第２のレンズの間の光路において、前記積層調光ミラーとして、第１の積層調光ミラーと第２の積層調光ミラーとが配置され、
   前記第１と第２の積層調光ミラーの状態を同時に制御することで光路の距離の差が形成されること、を特徴とする撮像装置。
10. 被写体側の第１のレンズ、撮像素子側の第２のレンズ、及び撮像素子を備える撮像装置であって、
    前記第２のレンズ及び前記撮像素子を複数有し、
    前記第１と第２のレンズの間の光路において第１の調光ミラー、第２の調光ミラーまたは反射素子が配置され、
    前記調光ミラーは、印加電圧制御により、光の透過状態と反射状態とが切り替えられる素子であり、
    前記第１の調光ミラーが透過状態の時、前記被写体側から、前記第１のレンズ、前記第１の調光ミラー、及び前記第２のレンズの１つを経由して前記撮像素子の１つに結像される第１の光路が形成され、
    前記第１の調光ミラーが反射状態の時、前記被写体側から、前記第１のレンズ、前記第１の調光ミラー、前記第２の調光ミラーまたは反射素子、及び前記第２のレンズの他の１つを経由して前記撮像素子の他の１つに結像される第２の光路が形成され、
    前記第１と第２のレンズの間において前記第１の光路よりも前記第２の光路の方が長く、
    前記撮像素子の１つにより、前記第１の光路による第１の画像を撮像し、前記撮像素子の他の１つにより、前記第２の光路による第２の画像を撮像すること、を特徴とする撮像装置。
11. 請求項１０記載の撮像装置において、
    前記第２の光路において、前記第１の調光ミラーと前記第２のレンズの他の１つとの間に、前記撮像素子の他の１つに対する焦点位置補正のための焦点補正用光学素子が配置されること、を特徴とする撮像装置。
12. 被写体側の第１のレンズ、撮像素子側の第２のレンズ、及び撮像素子を備える撮像装置であって、
    前記第２のレンズ及び前記撮像素子を複数有し、
    前記第１と第２のレンズの間の光路において、調光ミラーが少なくとも１つ、及び積層調光ミラーが少なくとも１つ配置され、
    前記調光ミラーは、印加電圧制御により、光の透過状態と反射状態とが切り替えられる素子であり、
    前記積層調光ミラーは、複数の調光ミラー部の積層から成り、
    前記複数の調光ミラー部の各々は、印加電圧制御により、光の透過状態と反射状態とが切り替えられる素子であり、
    前記複数の調光ミラー部の各々の状態の選択により、前記第１と第２のレンズの間の光路の距離が異なる複数の光路が形成され、
    前記調光ミラーが透過状態の時、前記被写体側から、前記第１のレンズ、前記調光ミラー、及び前記第２のレンズの１つを経由して前記撮像素子の１つに結像される第１の光路が形成され、
    前記調光ミラーが反射状態で前記積層調光ミラーが反射状態の時、前記被写体側から、前記第１のレンズ、前記調光ミラー、前記積層調光ミラー、及び前記第２のレンズの他の１つを経由して前記撮像素子の他の１つに結像される第２の光路が形成され、
    前記第１と第２のレンズの間において前記第１の光路よりも前記第２の光路の方が長く、
    前記撮像素子の１つにより、前記第１の光路による第１の画像を撮像し、前記撮像素子の他の１つにより、前記第２の光路による第２の画像を撮像すること、を特徴とする撮像装置。

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