JP2012119959A - Imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、撮像素子の受光面上で結像する光像と撮像素子とを相対的に微小変位させながら撮像を行う、いわゆる画素ずらしによって取得した複数の原画像から超解像処理により高解像度画像を生成するのに適した撮像装置に関する。 The present invention performs high-resolution processing by super-resolution processing from a plurality of original images acquired by so-called pixel shift, which performs imaging while relatively displacing the optical image formed on the light receiving surface of the imaging device and the imaging device. The present invention relates to an imaging apparatus suitable for generating an image.
撮像装置には画素がマトリクス状に配置された2次元イメージセンサが採用されており、この2次元イメージセンサでは、解像度が画素の大きさや画素数に依存する。一方、撮像素子の受光面上で結像する光像と撮像素子とを相対的に微小変位させながら撮像を行う、いわゆる画素ずらしによって取得した複数の原画像から、撮像素子の本来の解像度より高い解像度の画像を生成する手法が従来から知られている。 The imaging device employs a two-dimensional image sensor in which pixels are arranged in a matrix. In this two-dimensional image sensor, the resolution depends on the size and the number of pixels. On the other hand, it is higher than the original resolution of the image sensor from a plurality of original images acquired by so-called pixel shifting, which is performed while relatively displacing the optical image formed on the light receiving surface of the image sensor and the image sensor. A technique for generating a resolution image is conventionally known.
このような画素ずらしによる高解像度化の手法においては、光像と撮像素子とを相対的に微小変位させるシフト機構(以下、「光学的シフト機構」という。なお、「光学的シフト」を「画素ずらし」と同義に用いる場合がある。)が必要であり、例えば、ピエゾ素子などからなるアクチュエータで撮像素子を微小変位させる技術が知られている(特許文献1参照)。 In such a technique for increasing the resolution by shifting pixels, a shift mechanism (hereinafter referred to as “optical shift mechanism”) that relatively displaces the optical image and the image sensor is referred to as “optical shift”. For example, a technique for minutely displacing the image sensor with an actuator made of a piezo element is known (see Patent Document 1).
また、撮像光学系と撮像素子との間に撮像光学系の光軸に対して傾斜するように平行平板を配置し、この平行平板を光軸周りに回転させて、撮像素子の受光面上の光像の位置をずらす技術が存在する(特許文献2参照)。 In addition, a parallel plate is disposed between the image pickup optical system and the image pickup device so as to be inclined with respect to the optical axis of the image pickup optical system, and the parallel plate is rotated around the optical axis so as to be on the light receiving surface of the image pickup device. There is a technique for shifting the position of an optical image (see Patent Document 2).
また、画素ずらしによって取得した複数の原画像から高解像度画像を生成する画像処理法として、低解像度画像の画素値を高解像度画像の画素にマッピングするイメージシフト処理や、ML(Maximum-likelihood)法、MAP(Maximum A Posterior)法や、POCS(Projection On to Convex Sets)法などを用いた超解像処理の技術が知られている(特許文献1参照)。 Further, as an image processing method for generating a high-resolution image from a plurality of original images acquired by pixel shifting, an image shift process for mapping pixel values of a low-resolution image to pixels of a high-resolution image, or an ML (Maximum-likelihood) method A super-resolution technique using a MAP (Maximum A Posterior) method, a POCS (Projection On to Convex Sets) method, or the like is known (see Patent Document 1).
ところで、超解像処理の技術では、処理に用いる低解像度の原画像の枚数を増やし、撮像位置が微小に異なる原画像を多数用いることで、得られる高解像度画像の品質(実質的な解像度)を向上させることができる。そして、超解像処理に用いる低解像度の原画像は、上記特許文献2に開示された平行平板を回転させる技術によって取得することが可能である。上記特許文献2では、撮像素子の受光面上で結像する光像に対して撮像素子の画素を縦方向および横方向に画素ピッチの1/2ずつずらすように、光像に対する画素の相対的な円運動の半径(以下、「シフト半径」という。)を設定することにより、画素密度を実質的に2倍とすることを可能としている。
By the way, in the super-resolution processing technology, the number of low-resolution original images used for processing is increased, and the quality of the high-resolution image (substantial resolution) obtained by using many original images with slightly different imaging positions. Can be improved. And the low-resolution original image used for a super-resolution process can be acquired with the technique which rotates the parallel plate disclosed by the said
しかしながら、例えば、RGBの画素をベイヤ配列とした単板式カラーイメージセンサに上記超解像処理を適用する場合、上記特許文献2のような画素ピッチの1/2のシフト量では、超解像処理の効果が十分に発揮されずに高解像度の画像を得ることが難しいという問題があった。そこで、本願発明者が鋭意検討した結果、光学的シフトによって撮像素子の画素中心(相対的に逆の見方をすれば、すなわち、撮像素子上に結像される光像)が高解像度空間を移動する際の軌跡が、高解像度空間における各画素領域(サブピクセル領域)を埋める(通過する)割合(以下、「画素の充填率」という。)が低く、超解像処理を行なっても高解像度空間に画素が十分に再配置されていないことがわかった(後述する図11、図12参照)。
However, for example, when the super-resolution processing is applied to a single-plate color image sensor in which RGB pixels are arranged in a Bayer arrangement, the super-resolution processing is performed with a shift amount of ½ of the pixel pitch as in
本発明は、このような従来技術の課題を鑑みて案出されたものであり、高解像度空間に再配置された際の光学的シフトによる画素の充填率を向上させることにより、超解像処理の効果を向上させることを可能とした撮像装置を提供することを主目的とする。 The present invention has been devised in view of such problems of the prior art, and by improving the pixel filling rate by optical shift when rearranged in a high resolution space, super-resolution processing is achieved. An object of the present invention is to provide an image pickup apparatus that can improve the above effect.
本発明の撮像装置は、複数の画素を有し、被写体からの光を光電変換して画素信号を出力する撮像素子と、前記被写体からの光を前記撮像素子に導く光学系と、前記撮像素子の受光面上で結像する光像と前記撮像素子との相対的な円運動を行わせる光学的シフト機構とを備え、前記円運動の半径が、前記撮像素子における画素ピッチ以上である構成とする。 An imaging apparatus according to the present invention includes a plurality of pixels, an image sensor that photoelectrically converts light from a subject and outputs a pixel signal, an optical system that guides light from the subject to the image sensor, and the image sensor And an optical shift mechanism for performing a relative circular motion between the optical image formed on the light receiving surface and the image sensor, and the radius of the circular motion is greater than or equal to the pixel pitch in the image sensor. To do.
このように本発明によれば、光学的シフト機構による円運動の半径を撮像素子における画素ピッチ以上に設定し、高解像度空間に再配置された際の光学的シフトによる画素の充填率を向上させることにより、超解像処理の効果を向上させることが可能となるという優れた効果を奏する。 As described above, according to the present invention, the radius of the circular motion by the optical shift mechanism is set to be equal to or larger than the pixel pitch in the image sensor, and the pixel filling rate by the optical shift when rearranged in the high resolution space is improved. As a result, it is possible to improve the super-resolution processing effect.
上記課題を解決するためになされた第1の発明は、複数の画素を有し、被写体からの光を光電変換して画素信号を出力する撮像素子と、前記被写体からの光を前記撮像素子に導く光学系と、前記撮像素子の受光面上で結像する光像と前記撮像素子との相対的な円運動を行わせる光学的シフト機構とを備え、前記円運動の半径が、前記撮像素子における画素ピッチ以上である構成とする。 A first invention made to solve the above problems includes an image sensor that has a plurality of pixels, photoelectrically converts light from a subject and outputs a pixel signal, and outputs light from the subject to the image sensor. An optical system for guiding, and an optical shift mechanism for performing a relative circular motion between the optical image formed on the light receiving surface of the image sensor and the image sensor, the radius of the circular motion being the image sensor The pixel pitch in FIG.
これによると、光学的シフト機構による円運動の半径を撮像素子における画素ピッチ以上に設定し、高解像度空間に再配置された際の光学的シフトによる画素の充填率を向上させることにより、超解像処理の効果を向上させることが可能となる。 According to this, by setting the radius of circular motion by the optical shift mechanism to be greater than or equal to the pixel pitch in the image sensor and improving the pixel filling rate due to optical shift when rearranged in a high resolution space, The effect of image processing can be improved.
また、第2の発明は、前記円運動の半径は、以下の式で定められる構成とする。
((0.5L)2+(1.25L)2)1/2≦r≦2L
ここで、rは前記円運動の半径であり、Lは前記画素ピッチである。
Moreover, 2nd invention sets it as the structure where the radius of the said circular motion is defined by the following formula | equation.
((0.5L) 2 + (1.25L) 2 ) 1/2 ≦ r ≦ 2L
Here, r is the radius of the circular motion, and L is the pixel pitch.
これによると、高解像度空間に再配置された際の光学的シフトによる画素の充填率を高い値とすることができ、超解像処理の効果を更に向上させることが可能となる。 According to this, the pixel filling rate due to the optical shift when rearranged in the high resolution space can be set to a high value, and the effect of the super-resolution processing can be further improved.
また、第3の発明は、前記円運動の半径は、前記画素ピッチの2倍の大きさである構成とする。 According to a third aspect of the invention, the radius of the circular motion is twice as large as the pixel pitch.
これによると、高解像度空間に再配置された際の光学的シフトによる画素の充填率を最大とすることができ、超解像処理の効果を確実に発揮させることが可能となる。 According to this, the pixel filling rate due to optical shift when rearranged in the high resolution space can be maximized, and the effect of the super-resolution processing can be surely exhibited.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。以下の説明では、用語「軸方向」は光軸方向(図4中の上下方向に相当)を示す共に、用語「径方向」は光軸と直交する方向(図4中の左右方向に相当)を示すものとする。径方向は、光軸を中心とした360゜内の任意の角度を取り得る。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the term “axial direction” indicates the optical axis direction (corresponding to the vertical direction in FIG. 4), and the term “radial direction” is the direction orthogonal to the optical axis (corresponding to the horizontal direction in FIG. 4). It shall be shown. The radial direction can take any angle within 360 ° around the optical axis.
また、第4の発明は、複数の画素を有し、被写体からの光を光電変換して画素信号を出力する単板式のカラー撮像素子と、前記被写体からの光を前記撮像素子に導く光学系と、前記撮像素子の受光面上で結像する光像と前記撮像素子との相対的な円運動を行わせる光学的シフト機構とを備え、前記カラー撮像素子のG画素の前記円運動による軌跡が、前記カラー撮像素子の1画素サイズに相当する着目領域に対して、高解像度化によって生成されるべき複数のサブピクセル領域の14/16以上を通過するように、前記光学的シフト機構による円運動の半径を設定したものである。 A fourth invention includes a single-plate color image sensor having a plurality of pixels, photoelectrically converting light from a subject and outputting a pixel signal, and an optical system for guiding light from the subject to the image sensor. And an optical shift mechanism for performing a relative circular motion between the optical image formed on the light receiving surface of the image sensor and the image sensor, and a locus caused by the circular motion of the G pixel of the color image sensor. Is a circle formed by the optical shift mechanism so as to pass 14/16 or more of a plurality of sub-pixel regions to be generated by increasing the resolution with respect to a region of interest corresponding to one pixel size of the color imaging device. The radius of motion is set.
これによると、超解像処理における画素充填率を十分なものとし、高画質の高解像度画像を得ることが可能となる。 According to this, the pixel filling rate in the super-resolution processing is sufficient, and a high-quality high-resolution image can be obtained.
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係るネットワークカメラシステムの全体構成図である。図1に示すように、本発明が適用されるネットワークカメラシステムは、少なくとも1台の撮像装置(ここでは、ネットワークカメラ)1と、画像処理装置2とで構成される。撮像装置1と画像処理装置2とは、インターネット3を介して接続され、撮像装置1で生成した撮像データが、例えば遠隔地に存する画像処理装置2に送信されて、画像処理装置2で映像が表示される。また、撮像装置1を制御する各種のコマンド信号が画像処理装置2から撮像装置1に送信される。
(First embodiment)
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a network camera system according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a network camera system to which the present invention is applied includes at least one imaging device (here, a network camera) 1 and an
なお、撮像データは、例えばTCP(UDP)/IPといった、いわゆるインターネットプロトコルを利用して撮像装置から画像処理装置に送信されるが、撮像データを、例えば暗号化、カプセル化してVPN(Vertual Private Network)を利用して送信してもよく、専用回線によって撮像装置1と画像処理装置2が1対1の関係で接続される、いわゆるCCTV(Closed Circuit TV)と称されるネットワークカメラシステムとしてもよい。
The imaging data is transmitted from the imaging apparatus to the image processing apparatus using a so-called Internet protocol such as TCP (UDP) / IP. For example, the imaging data is encrypted and encapsulated, for example, in a VPN (Vertual Private Network). ) Or a network camera system called CCTV (Closed Circuit TV) in which the
図2は、図1に示した撮像装置及び画像処理装置の概略構成を示すブロック図である。図2に示すように、撮像装置1は、撮像部11と、画像処理部12と、データ圧縮送信部13と、シフト制御部14とを備えている。撮像部11は、被写体からの光を光電変換してアナログの画素信号を出力する撮像素子31を備えている。この撮像素子31は、2次元CMOSイメージセンサである。撮像素子31は、例えばQuad VGA(1280×960画素)の画素構成を備え、センササイズは1/3インチ、隣接画素との間隔である画素ピッチLは主走査方向、副走査方向ともに3.75μmである。なお、これに替えて2次元CCDイメージセンサを撮像素子31に用いてもよい。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a schematic configuration of the imaging apparatus and the image processing apparatus illustrated in FIG. 1. As shown in FIG. 2, the
撮像素子31から出力されるアナログ信号はA/D変換器32でディジタル信号に変換され、このディジタル信号は画像処理部12に入力され、ここで色補正、デモザイク処理、階調補正(γ補正)、YC分離処理等を施されて画像データに変換される。この画像データは、データ圧縮送信部13において例えばH.264やMPEG4等の圧縮処理を施された上で画像処理装置2に送信される。
The analog signal output from the
また、撮像部11は、後に詳述するが、撮像素子31の受光面上で結像する光像と撮像素子31とを相対的に微小変位させる光学的シフト機構35を備えている。光学的シフト機構35には、光像を微小変位させる光学部材(図4中の符号51参照)を磁力により回転駆動する磁気回転駆動部36と、光学部材の径方向および軸方向の位置をそれぞれ制御する位置制御部38と、光学部材の径方向および軸方向の位置をそれぞれ検出する径方向磁気センサ39および軸方向磁気センサ40とを備えている。
As will be described in detail later, the
光学的シフト機構35は、シフト制御部14により制御される。光学的シフト機構35の回転部分にはここでは図示しない着磁部が設けられており、両磁気センサ39、40は着磁部の位置情報を検出してシフト制御部14に出力する。シフト制御部14は、この位置情報に基づいて磁気回転駆動部36を制御して光学部材を回転させると共に、位置制御部38を制御して光学部材を所定の位置に保持する。
The
画像処理装置2は、データ受信復号部21と、表示部22と、記憶部23と、超解像処理部24と、周期設定部25と、入力部26とを備えている。なお、この画像処理装置2は、パソコンやワークステーション等の情報処理装置に所要のアプリケーションソフトウェアを導入することで構成される他、CCTVレコーダなど専用の装置であってもよい。
The
画像処理装置2では、撮像装置1から送信された圧縮画像データが、データ受信復号部21にて受信されて復号された後、RGBの画像データに変換されて、リアルタイムにディスプレイ等からなる表示部22に表示される。さらに、RGBの画像データは、ハードディスクドライブ装置等からなる記憶部23に送られて、ここに一時的に蓄積され、必要に応じて記憶部23から読み出して表示部22で再生することができる。
In the
また、例えば交通事故の検証の用途等で高解像度画像の必要が生じた場合には、記憶部23から画像データを読み出して超解像処理部24にて超解像処理を施して高解像度画像(静止画像)を生成し、その高解像度画像を表示部22に表示させることができる。
For example, when a high-resolution image is necessary for verification of traffic accidents, etc., the image data is read from the
また、入力部26は、後に詳述するが、ユーザからの撮像周期の入力を受け付けて、これを周期設定部25に送る。周期設定部25は、入力部26から送られてきた撮像周期に基づいて円運動周期を決定し、円運動周期に関するコマンド信号を撮像装置1に送信する。撮像装置1のシフト制御部14は、円運動周期に関するコマンド信号に基づいて、光学的シフト機構35を動作させることにより、指定された円運動周期に対応する回転速度で光学部材を回転駆動する。
As will be described in detail later, the
また、周期設定部25は、駆動回路33に対して撮像タイミングに関する情報を送信し、これにより、駆動回路33のタイミングジェネレータ(図示せず)は制御用の同期パルスを所定間隔で発生する。この同期パルスは、撮像素子31に出力され、これにより、撮像素子31の電荷蓄積期間(電子シャッタ期間)の始期および終期が決定される。また、同期パルスは、シフト制御部14にも出力され、これにより、シフト制御部14では、撮像素子31が実際に露光されている期間を把握することができる。
Further, the
図3は、撮像装置1及び画像処理装置2における処理状況を示す模式図である。図3に示すように、撮像素子31は駆動回路33によって駆動され、駆動回路33が生成するタイミング信号に応じて一定の周期(以下、撮像周期)で撮像(サンプリング)が行われる。例えばフレームレートを30frame/secとして1秒あたり30枚のフレーム画像を生成する場合、撮像周期は30ms程度に設定される。
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating processing states in the
画像処理装置2の超解像処理部24では、時間的に連続する複数のフレーム画像から高解像度画像を生成する超解像処理が行われる。この超解像処理では、まず、記憶部23に蓄積されたフレーム画像がコマ送りで静止画として表示される。そして、その中からユーザにより基準画像が指定されると、その基準画像となるフレーム画像とその前後の複数のフレーム画像が記憶部23から読み出されて超解像処理部24に送られて超解像処理が行われる。
The
超解像処理としては、例えば、ML(Maximum-likelihood)法、MAP(Maximum A Posterior)法や、POCS(Projection On to Convex Sets)法などが採用され、アプリケーションソフトウェアをCPUで実行することで実現される。一般に超解像処理は演算量が多いため、処理の一部をGPU(Graphics Processing Unit)や、専用ハードウェアを用いて行うようにしてもよい。 As super-resolution processing, for example, ML (Maximum-likelihood) method, MAP (Maximum A Posterior) method, POCS (Projection On to Convex Sets) method, etc. are adopted and realized by executing application software on CPU. Is done. In general, since the super-resolution processing has a large amount of calculation, a part of the processing may be performed using a GPU (Graphics Processing Unit) or dedicated hardware.
ここで、ML法とは、高解像度画像から推定された低解像度画像の画素値と、実際に観測された画素値との二乗誤差を評価関数とし、この評価関数を最小化するような高解像度画像を推定画像とする方法である。つまり、ML法とは、最尤推定の原理に基づく超解像処理方法である。また、MAP法とは、二乗誤差に高解像度画像の確率情報を付加した評価関数を最小化するような高解像度画像を推定する方法である。つまり、MAP法とは、高解像度画像に対するある先見情報を利用して、事後確率を最大化する最適化問題として高解像度画像を推定する超解像処理方法である。POCS法とは、高解像度画像と低解像度画像との画素値に関して連立方程式を作成し、その方程式を逐次的に解くことにより、高解像度画像を得る超解像処理方法である。 Here, the ML method uses a square error between a pixel value of a low-resolution image estimated from a high-resolution image and an actually observed pixel value as an evaluation function, and a high resolution that minimizes this evaluation function. This is a method of using an image as an estimated image. That is, the ML method is a super-resolution processing method based on the principle of maximum likelihood estimation. The MAP method is a method for estimating a high-resolution image that minimizes an evaluation function obtained by adding probability information of a high-resolution image to a square error. That is, the MAP method is a super-resolution processing method that estimates a high-resolution image as an optimization problem that maximizes the posterior probability by using some foresight information for the high-resolution image. The POCS method is a super-resolution processing method for obtaining a high-resolution image by creating simultaneous equations regarding pixel values of a high-resolution image and a low-resolution image and sequentially solving the equations.
これらの超解像処理は、まず、高解像度画像を仮定し、そして仮定した高解像度画像から、カメラモデルから得られる点広がり関数(PSF関数)に基づき、低解像度画像の画素について、その画素値を推定し、その推定値と観測された画素値(観測値)との差が小さくなるような高解像度画像を探索するという処理を有している。そのため、これらの超解像処理は、再構成型超解像処理と呼ばれている。 In these super-resolution processes, first, a high-resolution image is assumed, and based on the point spread function (PSF function) obtained from the assumed high-resolution image from the camera model, the pixel value of the pixel of the low-resolution image is determined. And a process of searching for a high-resolution image that reduces the difference between the estimated value and the observed pixel value (observed value). Therefore, these super-resolution processes are called reconfigurable super-resolution processes.
さて、ここで高解像度画像を探索する処理は、低解像度画像として得られた画素が高解像度画像においてどの位置に対応するのかを探索するものであり、いわゆる「位置合わせ」と呼ばれる処理である。一般に超解像処理では、複数の低解像度画像間の画素位置の変化が不明であっても高解像度化を可能とするため、着目画素の周囲に対して広範囲に位置合わせ処理を繰り返し実行する。このため計算コストが極めて大きくなることが知られている。一方、後に詳しく説明するように、本発明では光学的シフト機構35によってシフトされた画素の位置は既知であり、そして、その既知の位置で各フレーム画像、すなわち低解像度画像を撮像するようにしたため、少なくとも静止している被写体については、光学的シフトによって位置合わせ処理の多くを省略することが可能となり、計算コストを大幅に削減することができる。
Here, the process of searching for a high-resolution image is a process called so-called “positioning” that searches for a position corresponding to a pixel obtained as a low-resolution image in the high-resolution image. In general, in super-resolution processing, even if the change in pixel position between a plurality of low-resolution images is unknown, it is possible to increase the resolution, so that the alignment processing is repeatedly performed over a wide range around the pixel of interest. For this reason, it is known that the calculation cost becomes extremely high. On the other hand, as described in detail later, in the present invention, the position of the pixel shifted by the
なお、時間的に連続する複数のフレーム間に及ぶ画像情報を利用する超解像処理は、特にフレーム間再構成型超解像処理と呼称されることもある。一方で、1つのフレーム内で再構成型超解像処理を行う場合は、フレーム内再構成型超解像と呼称される。本実施形態では、フレーム間再構成型超解像を採用している。 Note that super-resolution processing that uses image information that spans a plurality of temporally continuous frames may be particularly referred to as inter-frame reconstruction type super-resolution processing. On the other hand, when the reconstruction type super-resolution processing is performed within one frame, it is called intra-frame reconstruction type super-resolution. In this embodiment, inter-frame reconstruction type super-resolution is adopted.
なお、ここでは、画像処理装置2において超解像処理によって高解像度化された静止画像を再生するものとしているが、画像処理装置2の処理能力が十分に高ければ、超解像処理で得られた高解像度画像をフレーム画像として動画を再生することも可能である。
Note that here, the still image that has been increased in resolution by super-resolution processing is reproduced in the
図4は、図2に示した撮像装置1の撮像部11を示す断面図であり、図5は、図4に示した撮像装置1の光学的シフト機構35の分解斜視図であり、図6は、光学的シフト機構35の斜視図であり、図7は、光学的シフト機構35の平面図であり、図8は、光学的シフト機構の要部断面図である。なお、図5では、説明の便宜上、光学カプセル(カプセル部材)50の内部に収容される各部材(光学部材51等)を外部に取り出した態様で示している。また、図5および図6では、図7に示す回転駆動コイル81を省略してある。
4 is a cross-sectional view showing the
図4に示すように、撮像装置1の撮像部11は、撮像素子31が設けられたセンサモジュール41と、被写体(図示せず)からの光を撮像素子31の受光面31a上で結像させるレンズユニット(光学系)42と、撮像素子31の受光面31a上で結像される光像を光軸Cに対して垂直な方向に変位させる光学的シフト機構35とを有している。レンズユニット42はレンズホルダ45を介して基板46に支持されている。センサモジュール41及び光学的シフト機構35も基板46に支持されている。なお、基板46には、必要に応じてその他電気部品等が搭載される。
As illustrated in FIG. 4, the
光学的シフト機構35は、例えば透明樹脂あるいは硝材から形成された光学カプセル50と、この光学カプセル50に収容された光学部材51とを主として備える。光学カプセル50の内部には、空気よりも高い屈折率を有する液体(流体)52が封入されている。また、液体52の屈折率は、後述する平行平板53の屈折率よりも小さく設定されている。
The
光学部材51は、略円板状を呈しており、その中央部にはレンズユニット42の光軸Cに対して所定角度傾斜した平行平板53が設けられている。平行平板53は、光学ガラスやアクリル樹脂等の材料から形成することができる。また、光学部材51の外周側には、その外周部を支持する円環状のバックヨーク54と、バックヨーク54の外周部に取り付けられた円環状の径側マグネット55と、バックヨーク54における光学部材51の光入射側および光出射側の部位(ここでは、バックヨーク54の上下面)にそれぞれ固定された上マグネット(第1軸側マグネット)56および下マグネット(第2軸側マグネット)57が設けられている。上マグネット56および下マグネット57は、共に同一径の円環状を呈している。これら各部材54〜57は、光軸Cを中心として同軸的に配置されており、液体52が充填された光学カプセル50内に光学部材51と共に収容されている。
The
光学カプセル50は、上下方向に重ね合わされた2つの部材50a、50bから構成され、これにより、液体52が封入される密閉空間が形成されている。光学カプセル50は、中央がくびれた断面を呈しており、光軸Cを中心とした円板状の空間を画成する中央部60と、この中央部60の外周側に連なると共に、矩形断面を有する円環状の空間を画成する円環部61とを有している。中央部60には平行平板53が収容される一方、上下方向に拡幅された円環部61には、光学部材51の外周部およびバックヨーク54等が収容されている。ここで、光学カプセル50の内面と光学部材51の表面との間隔は0.5mmに設定されている。なお、光学カプセル50は、少なくとも中央部60における光軸C周辺の光路部分(レンズユニット42からの入射光が通過する領域)が上述のような透明材料で形成されていればよい。
The
ここで、光学カプセル50(中央部60)が配置されるレンズユニット42とセンサモジュール41との間の間隔Dは、通常は非常に狭く(例えば、約3mm)、撮影範囲が広角になるのに応じてさらに狭くなる。しかしながら、光学部材51(平行平板53)のみを光路に配置するようにすれば、間隔Dが狭いにも拘わらず支障なく装置を構成することができる。
Here, the distance D between the
また、光学カプセル50の中央部60の上面60aはレンズユニット42の下面42aに当接しており、これにより、光学カプセル50とレンズユニット42との間の光路(厳密には、入射光が通過する空間)が密閉される。さらに、円環部61の下面61aは基板46の上面46aに当接しており、これにより、光学カプセル50とセンサモジュール41との間の光路(すなわち、光学カプセル50、センサモジュール41および基板46で画成される空間V)が密閉されている。このような構成により、レンズユニット42から撮像素子31までの光路中への塵埃等の侵入に起因する画質の劣化を防止することができる。なお、上記のように光路を密閉する方法としては、撮像素子31をモールドされたイメージセンサそのものとして捉えるならば、光学カプセル50をイメージセンサに直接当接させる構成としてもよい。
Further, the
なお、光学カプセル50の光路に対応する部分以外を不透明(例えば、黒色)としてもよい。このようにすることで、撮像素子31に不要な光が入る、いわゆる迷光を遮断することができる。
Note that portions other than the portion corresponding to the optical path of the
本実施形態では、液体52として不凍液(ポリピレングリコールと水との混合物)を用いている。液体52が水を含む場合、磁性体(例えば、鉄系の材料)で形成されたバックヨーク54には錆が生じ得る。これを防止するため、バックヨーク54の表面には樹脂コーティングが施されている。なお、不凍液は水系である必要性はなく、例えば、透明なシリコンオイルを採用してもよい。この場合は径側マグネット55等に錆が生じるおそれはなく、樹脂コーティングといった防錆処理は不要となる。また、撮像装置1の設置環境が室内に限定されるような場合は、必ずしも不凍液を用いる必要はない。また、磁気特性は若干劣るが、バックヨーク54を例えばSUS316等の非磁性金属材料や樹脂等で形成することにより、錆の発生を抑えることもできる。
In this embodiment, an antifreeze liquid (a mixture of polypropylene glycol and water) is used as the liquid 52. When the liquid 52 contains water, the
図5に示すように、光学的シフト機構35において、光学カプセル50の周辺には、径側マグネット55に磁力を作用させることによって光学部材51及び径側マグネット55を流体以外と非接触状態、即ちこれらを光学カプセル50の内壁と非接触で回転させる6つの磁気回転駆動部36と、径側マグネット55、上マグネット56、及び下マグネット57にそれぞれ磁力を作用させることにより、光学部材51の径方向および軸方向の位置を正規位置(平行平板53が光学カプセル50に接触することなく回転可能な定位置)に保持する3つの位置制御部38(以下、各々を区別する必要がある場合には、図7に示すように位置制御部38a、38b、38cと称する。)とが設けられている。このように光学部材51の径側マグネット55、上マグネット56、及び下マグネット57はいずれも永久磁石であり、これらに磁力を作用させる位置制御部38に電磁石を採用しているが、これによって光学カプセル50内部には一切の信号線が引き込まれず、光学カプセル50の密閉性を高めることを可能としている。
As shown in FIG. 5, in the
後に詳述するように、光学部材51の回転駆動および径方向の位置制御は、図6に示す位置検出部としての3つの径方向磁気センサ39(以下、各々を区別する必要がある場合には、図7に示すように径方向磁気センサ39a、39b、39cと称する。)の出力する情報に基づいて行われる。また、光学部材51の軸方向の位置制御は、図6に示す位置検出部としての軸方向磁気センサ40が出力する情報に基づいて行われる。
As will be described in detail later, the rotational drive and radial position control of the
このような構成により、光学部材51は、液体52を満たした光学カプセル50内で非接触状態で回転する。この磁力を利用した構成は、いわゆるベアリングレスモータの構成に準ずるものであり、摺動部が全く存在せず、光学的シフト機構35は極めて低振動で駆動され、かつ長寿命を達成することができる。
With such a configuration, the
また、図6に示すように、光学カプセル50の周辺には、光学部材51の回転に伴う原点位置を定期的に検出する原点センサ65が設けられている。原点センサ65は、反射型フォトセンサ(フォトリフレクタ)からなり、径側マグネット55の上部に設けられたマーカ66(図4参照)を検出する。原点センサ65としては、反射型フォトセンサに限らず、他の光学センサを含む周知のセンサを用いることができる。この原点センサ65の出力と、径方向磁気センサ39の出力とによって検出される径側マグネット55の着磁部68(図7参照)の磁極位置によって、光軸Cに対して傾斜した平行平板53による光のシフト方向を確実に把握することができる。
As shown in FIG. 6, an
マーカ66は、図4に示すように、光学カプセル50を挟んで原点センサ65と対向するように配置される。このマーカ66は、光学的に識別されるものであり、例えば、径側マグネット55にマグネットと異なる色で印刷されていてもよいし、マグネットの表面粗さを変えて 結果的に異なる反射率が得られるようにされていてもよい。原点センサ65は、マーカ66と径側マグネット55との反射率の違いを利用してマーカ66を検出する。
As shown in FIG. 4, the
光学部材51の回転方向において、平行平板53の傾斜方向と回転方向におけるマーカ66の位置との関係を予め把握しておくことにより、マーカ66を検出したタイミングで平行平板53の方向(すなわち、光学的シフトの方向)が検出できる。つまり、マーカ66検出時に平行平板53の回転角度を知ることができるため、光学的シフトがなされる方向を特定することが可能である。ここで、平行平板53による光学的シフト量は、光軸に対する平行平板53の角度に依存するが、この角度は軸方向磁気センサ40で検出され、図8に示す磁気回路で一定になるように制御される。また、バックヨーク54を含む回転体が回転することで、コマの回転と同様にジャイロ効果により軸ブレは小さく抑えられるから、光軸に対する平行平板53の角度(すなわち、光学的シフト量)は略一定となる。したがって、平行平板53の回転角度から光学的シフトによる光像ずれの座標を算出することができる。
In the rotation direction of the
ところで、図2に示した超解像処理部24にて実施される超解像処理では、撮像位置をサブミクロンオーダ(例えば、画素ピッチLは5.6μmとして、これを超解像処理で4×4倍に拡大する場合、新たに生成される画素ピッチLは5.6/4=1.4μmとなり、サブミクロンオーダの変位が必要となる)で決定することができれば、いわゆる「位置合わせ処理」の演算コストを大幅に低減できることが知られている。本発明に係る撮像装置及びネットワークカメラシステムでは、上記のような原点センサ65を採用し、駆動回路33が生成するタイミング信号(同期パルス)に応じて撮像素子31で撮像が行われたときの光像のシフト位置が決定されるため、超解像処理の演算コストを低減することができる。つまり、本発明によれば、画像のシフト位置を確実に把握できるため、上述の高解像度画像の探索量が減少し、光学的シフトの撮像対象のうち静止部分についての超解像処理の演算コストが大幅に減少する。
By the way, in the super-resolution processing performed by the
図7に示すように、径側マグネット55は、その周方向に沿って交互にN極及びS極に着磁された16の磁極からなる着磁部68を備えている。径側マグネット55は、微小な磁性体粒子を分散混合したポリフェニレンサルファイド樹脂(PPS)によって形成された、いわゆるプラスチックマグネットであり、これにより、水を含む液体52中にあっても吸水および膨潤が防止される。ここでは、磁性体粒子としてネオジムを採用している。磁力が極めて大きいネオジム磁石は、大きな駆動トルクを得ることができるため、低温時に液体52の粘性が大きくなった場合等に有効である。一方、ネオジムは水によって酸化されて錆を生じ得るため、径側マグネット55は、その表面が樹脂材料でコーティングされ、液体52との接触が防止されている。なお、上マグネット56、下マグネット57も同様にネオジム磁性体粒子を分散混合したPPSで形成され、これらにも樹脂コーティングが施されている。径側マグネット55、上マグネット56、下マグネット57として用いる磁性体粒子としては、ネオジムに限らず、例えば、フェライトやサマリウムコバルト等を用いることもできる。
As shown in FIG. 7, the
磁気回転駆動部36は、電磁鋼帯を複数積層してなるステータコア80と、ステータコア80に巻回された導線からなる回転駆動コイル81とによって構成されている。略U字状をなすステータコア80は、両端が光学カプセル50の外壁に当接した状態でその外周面に沿って等間隔に配置されており、また、光学カプセル50を介して径側マグネット55の着磁部68に対向配置されている。これにより、光学的シフト機構35は、いわゆるインナロータ型の3相モータ(本実施形態では、12スロット16ポール)と同様の構成を有する。磁気回転駆動部36は、回転駆動コイル81に電流を流すことで生じる磁界によって着磁部68に作用する引力および斥力により、着磁部68を所定の方向に回転させる。これにより、バックヨーク54と光学部材51(平行平板53)とが光軸C周りに回転する。
The magnetic
径方向磁気センサ39a、39b、39cは、ホール素子からなり、光学カプセル50の外壁に当接した状態でその外周面に沿って周方向に等間隔で配置されており、それぞれは、隣接する2つの磁気回転駆動部36の間に位置する。このような径方向磁気センサ39a、39b、39cの配置により、光学部材51の径方向の変位量を精度良く検出することができる。径方向磁気センサ39としてホール素子を用いることで、光学カプセル50内の光学部材51の位置を約1μmの精度で検出することができる。より高い精度が必要となる場合はホール素子に替えて光位置センサ(PSD:Position Sensitive Detector)を用いてもよい。PSDを用いることで位置検出精度は0.1μm程度まで改善される。
The radial
なお、位置検出手段としてホール素子を用いた場合の検出精度が1μmである点と、上述した「撮像位置をサブミクロンオーダで決定する」という点は矛盾するものではない。本実施形態の光学的シフト機構35において、光学部材51(平行平板53)は、単に入射光を平行シフトさせるパワーしか有さず、光像のシフト位置はもっぱら光学部材51の回転角度によって決定される。光学部材51が光軸方向や径方向に対して平行に変位しても、平行平板53によるシフト位置は全く影響を受けず、影響を受けるとすれば、光学部材51の光軸Cに対する傾斜角が変動する場合である。本実施形態では、後に詳細に説明するように傾斜角変動による影響を小さくしており、結果的に検出精度が1μm程度であっても、サブミクロンオーダの精度でシフト位置が決定される。
Note that there is no contradiction between the point that the detection accuracy when the Hall element is used as the position detection means is 1 μm and the above-described “determine the imaging position in submicron order”. In the
図7に示した12スロット16ポールの構成では、光学カプセル50の外周部には、隣接する磁気回転駆動部36の間に6つの空間が生じることになる。したがって、これらの空間に、3つの径方向磁気センサ39a、39b、39cを、それぞれ3つの位置制御部38a、38b、38cと光軸Cを中心として180度回転した位置に配置することができる。これにより、光学カプセル50の外側のスペースを有効利用して装置の小型化を実現しつつ、光学部材51の径方向の位置制御を容易に行うことが可能となる。
In the configuration of the 12-slot 16-pole shown in FIG. 7, six spaces are generated between the adjacent magnetic
径方向磁気センサ39は、径側マグネット55の着磁部68から生じた磁力を検出することで、着磁部68の磁極(N極とS極)の位置情報を出力する。より詳細には、径方向磁気センサ39は、自身に対して径側マグネット55のN極とS極の1組が相対移動すると、これを1周期とする正弦波を位置情報としてシフト制御部14(図2参照)に出力する。シフト制御部14は、この位相情報を処理することで、光学部材51の回転速度を計算する。すなわち、径方向磁気センサ39及びシフト制御部14は、光学部材51の回転位置検出部及び回転速度検出部として機能する。
The radial
このような回転速度の検出方法に替えて、例えば、光学部材51又は径側マグネット55の外周部(着磁部等)にマーキングを施し、これを光学式センサ(フォトリフレクタ)で検出するようにしてもよい。その場合、白黒のマーキングとすれば、比較的狭ピッチで描けるため、より高いサンプリングレートで回転角速度の検出が可能となる。
Instead of such a method of detecting the rotational speed, for example, marking is performed on the outer peripheral portion (magnetized portion or the like) of the
軸方向磁気センサ40は、光学カプセル50の上面外壁に当接して位置制御部38の近傍に配置されている。軸方向磁気センサ40は、図4中に2点鎖線で示すように、光学カプセル50を介して上マグネット56に対向するように配置されているが、場合によっては、下マグネット57に対向するように軸方向磁気センサ40を配置してもよい。軸方向磁気センサ40は、上マグネット56から生じる磁力の大きさを検出することにより、上マグネット56が取り付けられたバックヨーク54(すなわち、光学部材51)の軸方向の位置情報を出力する。この位置情報に基づき、シフト制御部14(図2参照)は、軸方向位置制御コイル71(図8参照)に流す電流を制御し、光学部材51の軸方向の位置制御を行う。
The axial
図8に示すように、位置制御部38は、電磁鋼帯を複数積層した略E形を呈するステータコア70と、ステータコア70の下側端部において上方(光軸方向に平行な方向)に突出する突部70aに捲回された軸方向位置制御コイル71と、ステータコア70の中間部において側方(光軸方向に垂直な方向)に突出する突部70bに捲回された径方向位置制御コイル72とを有している。突部70aおよび突部70bの先端は、光学カプセル50の下面および外周面にそれぞれ当接した状態にある。
As shown in FIG. 8, the
軸方向位置制御コイル71によって突部70aに形成される電磁石74は、下マグネット57に対して作用する磁力を発生する軸方向磁力発生手段として機能し、光学部材51の軸方向の位置制御に用いられる。また、径方向位置制御コイル72によって突部70bに形成される電磁石75は、径側マグネット55に対して作用する磁力を発生する径方向磁力発生手段として機能し、光学部材51の径方向の位置制御に用いられる。
The
また、ステータコア70の上側端部には、光学カプセル50を挟んで突部70aと対向配置された下方(光軸方向に平行な方向)に突出する突部70cが設けられている。突部70cは、永久磁石76の一部として形成されており、その先端が光学カプセル50の上面に当接した状態にある。永久磁石76は、上マグネット56に対して作用する磁力を発生する軸方向磁力発生手段として機能し、対向する下方の電磁石74と協働し、光学部材51の軸方向の位置制御に用いられる。この場合、永久磁石76と上マグネット56とは同磁極(ここでは、共にN極)であり、これらの間には斥力が作用する。なお、永久磁石76としてはネオジム磁石を採用しているが、下方の電磁石74による磁力とのバランスを考慮して、他の磁石(例えば、フェライト磁石等)を用いてもよい。
In addition, a
突部70bは、ステータコア70の上部と下部とを連結する連結部材77の一部として形成されている。連結部材77は、電磁石74、電磁石75、及び永久磁石76の間に磁気的な相互作用が生じないようにするために、非磁性体(例えば、樹脂、セラミック等)から形成されている。
The
なお、本実施形態では、位置制御部38は、光学部材51の径方向および軸方向の位置を制御する手段として機能するが、径方向の位置を制御する位置制御部と軸方向の位置を制御する位置制御部とをそれぞれ個別に設けた構成も可能である。
In the present embodiment, the
軸方向の位置制御においては、軸方向位置制御コイル71に電流を流すことにより電磁石74が励磁され、互いに同磁極(ここでは、S極)の電磁石74と下マグネット57との間に斥力が生じる。この斥力の大きさを、光学カプセル50を挟んで電磁石74とは反対側に位置する永久磁石76と上マグネット56との間に作用する斥力との釣り合わせることにより、光学部材51の軸方向位置が正規位置に保持される。
In the axial position control, the
一方、電磁石74が励磁されない場合には、光学部材51には永久磁石76からの斥力が作用して光学部材51は下方に移動し、かつ下マグネット57と無通電状態のステータコア間の引力によって(すなわち、下マグネット57の下端が光学カプセル50に当接した状態)で固定される。このように、撮像装置に電源を投入していない場合(例えば、撮像装置の運搬等の際)には、光学部材51が確実に固定されるため、平行平板53の破損を防止することができる。この場合、光学部材51(平行平板53)は、上記固定状態においても、破損防止等の観点から光学カプセル50に接触しないことが好ましい。したがって、光学部材51が図8に示す正規位置にある場合には、下マグネット57と光学カプセル50との間隔d1は、光学部材51と光学カプセル50との間隔d2よりも小さくなるように設定される。
On the other hand, when the
なお、光学的シフト機構35では、永久磁石76と上マグネット56との間ならびに電磁石74と下マグネット57との間にそれぞれ引力を作用させて、それらを釣り合わせる構成も可能である。しかしながら、上述のように斥力を作用させることで、初期起動時等に上マグネット56または下マグネット57による磁力(吸着力)の影響により、光学部材51に摩擦力が生じて装置が起動できなくなる等のトラブルを防止できるという利点がある。
Note that the
また、径方向の位置制御においては、径方向位置制御コイル72に電流を流すことにより電磁石75が励磁され、径側マグネット55との間に斥力が生じる。この斥力は、図7に示す位置制御部38a、38b、38cの配置により、径側マグネット55の周囲の三方向から作用し、それらを釣り合わせることにより、光学部材51の径方向位置が定位置に保持される。
In the radial position control, the
上記光学的シフト機構35では、図7に示したように、位置制御部38aと径方向磁気センサ39a、位置制御部38bと径方向磁気センサ39b、並びに位置制御部38cと径方向磁気センサ39cは、それぞれ互いに光軸Cを中心として180゜回転した位置に配置されている。そして、位置制御部38a、38b、38cの径方向位置制御コイル72(図8参照)は、それぞれ径方向磁気センサ39a、39b、39cが検出した位置情報に基づき駆動される。つまり、各置制御部38a、38b、38cの径方向位置制御コイル72は、それぞれ光学カプセル50を挟んで対向する位置で検出された位置情報に基づき駆動される。このような構成により、径方向磁気センサ39の出力の増大が、対応する位置制御部38と光学部材51(径側マグネット55)との離間距離の増大に直接的に関連づけられ、位置制御の処理が容易となる。
In the
また、上記光学的シフト機構35では、図6および図7に示したように、磁気回転駆動部36、径方向磁気センサ39、軸方向磁気センサ40、及び位置制御部38を、それぞれ光学カプセル50の外面に当接させている。このように、光学部材51の回転駆動制御および位置制御に必要な構成要素を光学カプセル50に当接させて配置する。これにより、光学カプセル50自体の寸法精度を良好に管理すれば、各構成要素の位置関係(すなわち、距離関係)を極めて高精度に定めることが可能となり、高い制御性能を実現することができる。ここでは、好適な例として、回転駆動制御および位置制御に必要な全ての構成要素が光学カプセル50に当接する構成としたが、これに限らず、それら構成要素の一部が光学カプセル50に当接する構成も可能である。
Further, in the
また、上記光学的シフト機構35では、光学部材51を回転させるために、いわゆる3相モータに準ずる構成を適用した例を示したが、これを単相モータに準ずる構成を適用しても同様の効果を得ることができる。
Further, in the
図9は、図4に示した光学的シフト機構35におけるシフト制御部14の構成図である。以下では、シフト制御部14による光学部材51の回転駆動制御及び位置制御について、図9と図7とを併用して説明する。
FIG. 9 is a configuration diagram of the
まず、光学部材51の回転駆動制御に関して説明する。光学部材51の径側マグネット55には、図7に示したように、16極の着磁部68が設けられており、着磁部68が発生する磁気は3つの径方向磁気センサ39により検出される。この径方向磁気センサ39の検出出力(アナログ信号)は、コンパレータ91aに入力されるが、その入力前に、図示しない増幅器及びアナログオフセット回路によって、その信号レベルが接地レベルに対して±に変化するようアナログ的にシフトされる。そして、コンパレータ91aは、このアナログ信号のゼロクロスを検出するとFG信号(パルス信号)を出力する。このFG信号は、割り込み信号(IRQ)として演算処理部92に入力される。上述のように径方向磁気センサ39は3系統あるから、演算制御部92はそれぞれのセンサについてゼロクロスに基づく割り込み信号を受け取る。また、原点センサ65の検出出力は、コンパレータ(CMP)91bによって2値化され、割り込み信号(IRQ)として演算処理部92に出力される。さらに、駆動回路33から出力される同期パルスは、シフト制御部14の演算処理部92に対して割り込み信号(IRQ)として入力される。
First, the rotational drive control of the
ここで、着磁部68の各磁極の間隔は同一に設定されているため、磁極間の距離は既知である。そこで、この距離をシフト制御部14に設けられた高速カウンタで計数したパルス間(例えば、隣接するゼロクロスの間隔)の時間で除算すれば速度算出値Vnが得られる。つまり、本実施形態では演算処理部92は、速度算出部としても機能し、径方向磁気センサ39の出力に基づいて光学部材51の回転速度を算出する。このような構成により、径方向磁気センサ39で光学部材51の速度検出と位置検出とを行うことが可能となり、装置の低コスト化が図れる。
Here, since the interval between the magnetic poles of the
ここで、演算処理部92における処理の詳細について説明する。演算処理部92は、演算処理を実行するCPU93と、CPU93の処理に必要なプログラムを記憶するROM94と、CPU93がプログラムを実行する際のワークエリアとして機能するRAM95とを有する。演算処理部92では、算出された光学部材51の回転速度に基づきPI制御(比例積分制御)を行うことにより、光学部材51を等角速度で回転させる。光学部材51が等速で回転するときのFGパルスの間隔(時間)は既知であるため、これを速度理論値Vr(設定された角速度、即ち速度目標値)として、当該速度理論値Vrに対する速度算出値Vnの誤差δVを次式のように算出する。
δV=Vr−Vn
Here, details of the processing in the
δV = Vr−Vn
なお、速度理論値Vrおよび速度算出値Vnは、本来は実数であるが、CPU93による演算を高速化するために、例えば、予め16bitの整数値として正規化することができる。PI制御のうち比例項であるP項は、δVに適切なゲインGpを乗じて次式のように算出する。
P=Gp×δV
The speed theoretical value Vr and the speed calculated value Vn are originally real numbers, but can be normalized in advance as, for example, a 16-bit integer value in order to speed up the calculation by the
P = Gp × δV
ここで、ゲインが無限大であれば、P項のみを用いて速度制御が可能となるが、一般にゲインは有限であり、このとき速度オフセットを生じることから、誤差δVを積分し、これに適切なゲインGiを乗じて積分項であるI(Integral)項を次式のように算出する。
I=Gi×Σ(δV)
Here, if the gain is infinite, speed control can be performed using only the P term. Generally, the gain is finite, and at this time, a speed offset is generated. Therefore, the error δV is integrated and appropriate. The integral gain I is multiplied to calculate an integral term I (Integral) term as in the following equation.
I = Gi × Σ (δV)
このP+Iがいわゆる速度指令値であり、CPU93は速度指令値をパルス幅変調器(PWM)96に送出する。この速度指令値に基づき、パルス幅変調器96は所定周期におけるONデューティ比を算出し、このデューティ比に基づきパルス幅変調された信号(PWM信号)が3相ドライバ97に出力される。3相ドライバ97は、内部に3系統のプッシュプル型のトランジスタ回路98を備え、シフト制御部14から出力されたPWM信号に基づきスター結線された各回転駆動コイル81に流す電流を制御して回転駆動を行う。ここで、各回転駆動コイル81から取り出されたコモン信号は3相ドライバ97に入力され、各プッシュプル型のトランジスタ回路98の相励磁(ON/OFF)が制御される。この相励磁の切り替えによって光学的シフト機構の回転が制御される。なお、この電流の制御には、パルス幅変調器96の替わりに周知の電圧調整器を用いてもよい。いずれの構成を採用したとしても、速度理論値Vrとして用いる速度目標値を変更することによって、光学部材51を複数の異なる一定の角速度で回転させることが可能である。これによって周期設定部25(図2参照)から指示された円運動周期で回転駆動制御が実行される。
This P + I is a so-called speed command value, and the
次に、光学部材51の位置制御について説明する。上述のように、光学部材51の位置検出は、3つの軸方向磁気センサ40と、FG信号(速度情報)の入力源を兼ねる3つの径方向磁気センサ39とで行われる。これらのセンサ群は、上マグネット56および径側マグネット55に設けられた着磁部の磁気をそれぞれ検出する。この検出値は、A/D変換器101a、101bによってディジタル信号へ変換される。各A/D変換器101a、101bの出力は8bitであり、演算処理部92のCPU93は合計8×3×2bitの位置情報信号を受け取る。
Next, position control of the
そして、CPU93は、取得した位置情報信号に基づき理論値(光学部材51が正規位置にある場合の径方向磁気センサ39および軸方向磁気センサ40との位置関係(既知の値))とのずれを修正する修正値を計算し、この修正値(ディジタル信号)をD/A変換器102a、102bに送出する。D/A変換器102a、102bにおいてディジタル信号がアナログ信号に変換される。このアナログ信号に基づき、径方向駆動用ドライバ103及び軸方向駆動用ドライバ104は、それぞれ径方向位置制御コイル72および軸方向位置制御コイル71を駆動し、光学カプセル50内の光学部材51の位置を制御する。
Then, the
なお、本実施形態では、径方向磁気センサ39および軸方向磁気センサ40の出力は直接的に距離情報を示す。したがって、PI制御のうちI項についてのみ演算を行えばよい。
In the present embodiment, the outputs of the radial
図10は、撮像素子への光の入射状況を示す断面図であり、図10(A)は入射した光の光路が最も右側にシフトした状態を示し、図10(B)は図10(A)の状態から平行平板53が180゜回転した状態を示している。なお、図10(B)の状態から、平行平板がさらに180゜回転すると、図10(A)の状態に復帰する。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a state of incidence of light on the image sensor. FIG. 10A shows a state where the optical path of the incident light is shifted to the rightmost side, and FIG. 10B shows the state of FIG. ) Shows a state in which the parallel
図10に示すように、光学部材51の平行平板53は、レンズユニット42の光軸Cに対して傾斜しているため、レンズユニット42を経て入射する光を屈折させ、撮像素子31の受光面に入射する光の位置が平行平板53の回転位置に応じて変化し、光学的シフト機構35により光学部材51を回転させると、撮像素子31の受光面上で結像する光像が、光学部材51の回転速度に応じた周期(円運動周期)で円を描くように移動し、これにより撮像素子31に対して光像を相対的に微小変位させることができる。
As shown in FIG. 10, since the parallel
次に、図11〜図16を参照して上記構成の撮像装置における光像に対する画素の相対的な円運動について説明する。以下では、撮像装置の光学的シフト機構においてシフト半径rを段階的に変更した例を示すが、便宜上、本願発明の範囲から外れるもの(すなわち、本願発明の効果が得られないシフト半径rの値)を含めて説明する。ここで、シフト半径rは、撮像素子の画素ピッチLに換算して(すなわち、画素ピッチLの倍数として)示すものとする。例えば、シフト半径rを画素ピッチLに相当する5.6μmに設定する場合には、必要に応じて「r=1L」のように簡略化して示す。 Next, the relative circular motion of the pixel with respect to the optical image in the imaging apparatus having the above configuration will be described with reference to FIGS. In the following, an example in which the shift radius r is changed stepwise in the optical shift mechanism of the imaging apparatus will be described. However, for the sake of convenience, a value outside the scope of the present invention (that is, the value of the shift radius r that does not provide the effect of the present invention) ). Here, the shift radius r is expressed in terms of the pixel pitch L of the image sensor (that is, as a multiple of the pixel pitch L). For example, when the shift radius r is set to 5.6 μm corresponding to the pixel pitch L, it is simplified as “r = 1L” as necessary.
なお、シフト半径rは、平行平板53における光路部分の厚みおよび傾斜角度ならびにポリピレングリコール濃度を調整することによって変更することができる。例えば、r=1Lの場合、平行平板53の厚みは0.1mm、傾斜角度は傾斜角度=20°、ポリピレングリコール濃度は60wt%(60wt%(PGと水の混合比が6:4であり、屈折率は約1.38)となる。
The shift radius r can be changed by adjusting the thickness and inclination angle of the optical path portion in the
また、光像に対する画素の相対的な円運動は、図10に示したように、固定された撮像素子31の画素に対して光像が変位するものであるが、ここでは、便宜上、画素に対する光像の相対的な移動を、静止した光像に対して撮像素子31の画素が移動するように図示する。さらに、各画素は、光を受光する所定のサイズの受光領域を有するが、以下の説明では、便宜上、各画素の中心位置(画素中心)のみを図示する。
Further, as shown in FIG. 10, the relative circular motion of the pixel with respect to the optical image is such that the optical image is displaced with respect to the pixel of the fixed
図11は、r=0.5Lの場合の光像に対する画素の相対的な円運動の状況を示す模式図であり、図12は、図11の要部拡大図である。なお、r=0.5Lは、上述の特許文献2のシフト量に相当するものである。
FIG. 11 is a schematic diagram illustrating a state of relative circular motion of a pixel with respect to an optical image in the case of r = 0.5L, and FIG. 12 is an enlarged view of a main part of FIG. Note that r = 0.5L corresponds to the shift amount of
図11に示すように、撮像素子31は、入射光のうちR(Red)成分を受光するR画素と、B(Blue)成分を受光するB画素と、G(Green)成分を受光するG画素の各画素がいわゆるベイヤ配列に基づいて配列された、いわゆる単板式のカラー撮像素子である。このベイヤ配列では、G画素が全画素数の1/2の画素数で千鳥状(チェッカフラッグ状)に配置され、R画素及びB画素が各全画素数の1/4ずつの画素数でG画素の配置位置を除く位置に分散配置されている。
As illustrated in FIG. 11, the
図中のX軸は主走査方向、Y軸は副走査方向をそれぞれ示す。また、図中に実線で示されたX軸およびY軸方向における複数の直線は、それぞれ撮像素子31の画素ピッチLの間隔で配置されている。さらに、図中に破線で示されたX軸およびY軸方向における複数の直線は、上述した超解像処理における高解像度空間の画素を示すためのものであり、ここで、高解像度空間の画素は、画素ピッチLを主走査および副走査をともに4分割したサブピクセル(すなわち、4×4倍の超解像処理を行う場合)として規定されている。以下、図12〜図16についても同様である。
In the figure, the X axis indicates the main scanning direction, and the Y axis indicates the sub scanning direction. In addition, a plurality of straight lines in the X-axis and Y-axis directions indicated by solid lines in the drawing are arranged at intervals of the pixel pitch L of the
なお、本実施形態では低解像度画像を4×4倍に高解像度化する超解像処理を前提として説明をするが、4×4倍で得られる有利な効果は、これよりも分割数が小さい場合(例えば、画素ピッチLを3分割、即ち3×3倍の超解像)であっても、同様に得られ、むしろ分割数が小さくなるほど後述の充填率は高くなる。 In this embodiment, description will be made on the premise of super-resolution processing for increasing the resolution of a low-resolution image to 4 × 4 times. However, the advantageous effect obtained by 4 × 4 times is smaller than this. Even in the case (for example, the pixel pitch L is divided into three, that is, super-resolution of 3 × 3 times), it can be obtained in the same manner.
図11中に実線の円で示すように、各G画素の画素中心は、各黒丸(●)を回転中心として半径が画素ピッチLの1/2の大きさの円軌道を描いて運動する。ここで、各G画素の移動範囲を判定するために、図12中に1点鎖線で示す判定領域(すなわち、互いに隣接する所定の2つのG画素の回転中心の間において16個のサブピクセルで構成された領域)に注目する。この判定領域において、斜線で埋められた6個のサブピクセル(以下、「有効サブピクセル」という。)が、G画素の画素中心の移動範囲(円運動により画素を走査可能な範囲)である。また、それ以外の斜線で埋められていない10個のサブピクセルは、超解像処理における高解像度空間において画素情報が欠落することとなる。 As indicated by a solid circle in FIG. 11, the pixel center of each G pixel moves while drawing a circular orbit whose radius is ½ of the pixel pitch L with each black circle (●) as the rotation center. Here, in order to determine the movement range of each G pixel, a determination region indicated by a one-dot chain line in FIG. 12 (that is, 16 subpixels between the rotation centers of two predetermined G pixels adjacent to each other). Pay attention to the configured area). In this determination area, six sub-pixels (hereinafter referred to as “effective sub-pixels”) filled with diagonal lines are the movement range of the pixel center of the G pixel (the range in which the pixel can be scanned by circular motion). Moreover, pixel information is lost in the high-resolution space in the super-resolution processing for the 10 sub-pixels that are not filled with other diagonal lines.
なお、人間の視覚特性上、G成分は解像度に最も影響を与えるから、解像度を向上させる超解像処理の効果は、高解像度空間におけるG画素の充填率を向上することによって直接的に改善される。 Since the G component has the most influence on the resolution in terms of human visual characteristics, the effect of the super-resolution processing for improving the resolution is directly improved by improving the G pixel filling rate in the high resolution space. The
r=0.5Lの場合、画素の充填率Fu(ここでは、16個のサブピクセルにおける有効サブピクセルの割合)は6/16(37.5%)と小さいため、超解像処理の効果を発揮させることは難しい。なお、例えば、シフト半径rをやや増大させてr=(√2/2)L(約0.71L)とした場合でも、画素の充填率Fuは同様(Fu=6/16)である。 When r = 0.5L, the pixel filling factor Fu (here, the ratio of effective sub-pixels in 16 sub-pixels) is as small as 6/16 (37.5%). It is difficult to demonstrate. For example, even when the shift radius r is slightly increased to r = (√2 / 2) L (about 0.71 L), the pixel filling rate Fu is the same (Fu = 6/16).
図13は、r=0.9Lの場合の光像に対する画素の相対的な円運動の状況を示す模式図である。なお、図13(図14〜図16についても同様)は、図12に対応するものであり、以下で特に言及しない事項については、上述の図11及び図12の場合と同様である。r=0.9Lの場合、有効サブピクセルはそれぞれ10個であり、画素の充填率Fuはr=0.5Lの場合よりも増大して10/16(62.5%)となる。しかしながら、依然として画素の充填率が低いため、超解像処理の効果を発揮させることは難しい。 FIG. 13 is a schematic diagram illustrating a state of the relative circular motion of the pixel with respect to the optical image when r = 0.9L. Note that FIG. 13 (the same applies to FIGS. 14 to 16) corresponds to FIG. 12, and matters not particularly mentioned below are the same as those in FIGS. 11 and 12 described above. When r = 0.9L, the number of effective sub-pixels is 10, and the pixel filling factor Fu is increased to 10/16 (62.5%) than when r = 0.5L. However, since the pixel filling rate is still low, it is difficult to exert the effect of super-resolution processing.
充填率が10/16以下である場合、超解像処理によって高解像度化された画像には、特にエッジ部分に粒状ノイズが発生し、超解像効果は限定されたものとなる。また、この粒状ノイズは撮影対象には存在しないはずの色、即ち擬色を伴う傾向がある。擬色の程度も充填率が低くなるほど原色成分が顕著となり、R成分やB成分であることが多い。G画素の充填率が低下する以上に、もともと画素数の少ないR画素やB画素の充填率が低下することが要因になっていると思われる。 When the filling rate is 10/16 or less, granular noise is generated particularly in the edge portion of the image with high resolution by the super-resolution processing, and the super-resolution effect is limited. Further, this granular noise tends to be accompanied by a color that should not exist in the object to be photographed, that is, a pseudo color. As for the degree of pseudo color, the lower the filling rate, the more prominent the primary color component, and the R component and B component are often the case. The reason seems to be that the filling rate of the R pixel and the B pixel, which originally have a small number of pixels, is lower than the filling rate of the G pixel.
図14は、r=1.0Lの場合の光像に対する画素の相対的な円運動の状況を示す模式図である。r=1.0Lの場合、有効サブピクセルは12個であり、画素の充填率Fuは12/16(75%)となる。この場合、画素の充填率Fuがr=0.5Lの場合に比べて大幅に改善される。なお、例えば、シフト半径rをさらに増大させてr=1.25Lとした場合でも、画素の充填率Fuはr=1.0Lの場合と同様(Fu=12/16)である。 FIG. 14 is a schematic diagram illustrating a state of a relative circular motion of a pixel with respect to an optical image when r = 1.0L. In the case of r = 1.0L, the number of effective subpixels is 12, and the pixel filling rate Fu is 12/16 (75%). In this case, the pixel filling rate Fu is significantly improved as compared with the case where r = 0.5L. For example, even when the shift radius r is further increased to r = 1.25L, the pixel filling rate Fu is the same as in the case of r = 1.0L (Fu = 1/16).
充填率が12/16程度になると、エッジ部の粒状ノイズや擬色が減少し、官能評価のポイントは大幅に改善する。しかしながら、これら粒状ノイズや擬色は残存しており、高解像度画像の再現性としては不十分である。 When the filling rate is about 12/16, the granular noise and false color at the edge portion are reduced, and the point of sensory evaluation is greatly improved. However, these granular noises and false colors remain, and are not sufficient for high-resolution image reproducibility.
図15は、r=((0.5L)2+(1.25L)2)1/2(約1.35L)の場合の光像に対する画素の相対的な円運動の状況を示す模式図である。このときの円運動の軌跡(シフト軌跡)は例えばS1であり、回転中心を“●”とし、点“▲”によって半径rを定めたものである。r=((0.5L)2+(1.25L)2)1/2の場合、有効サブピクセルは14個であり、画素の充填率Fuは14/16(87.5%)となり、高い値の画素の充填率Fuを実現することができる。なお、例えば、シフト半径rをさらに増大させてr=√2L(約1.41L)やr=1.9Lとした場合でも、画素の充填率Fuは同様(Fu=14/16)である。 FIG. 15 is a schematic diagram showing a state of relative circular motion of a pixel with respect to an optical image in the case of r = ((0.5 L) 2 + (1.25 L) 2 ) 1/2 (about 1.35 L). is there. The locus (shift locus) of the circular motion at this time is, for example, S1, and the center of rotation is “●” and the radius “r” is determined by the point “▲”. In the case of r = ((0.5L) 2 + (1.25L) 2 ) 1/2 , there are 14 effective subpixels, and the pixel filling factor Fu is 14/16 (87.5%), which is high. The value pixel filling factor Fu can be realized. For example, even when the shift radius r is further increased to r = √2L (about 1.41L) or r = 1.9L, the pixel filling rate Fu is the same (Fu = 14/16).
図16は、r=2Lの場合の光像に対する画素の相対的な円運動の状況を示す模式図である。r=2Lの場合、全16個のサブピクセルが有効サブピクセルとなり、画素の充填率Fuを最大の16/16(100%)とすることができる。 FIG. 16 is a schematic diagram illustrating a state of the relative circular motion of the pixel with respect to the optical image in the case of r = 2L. In the case of r = 2L, all 16 subpixels become effective subpixels, and the pixel filling rate Fu can be set to the maximum 16/16 (100%).
充填率が14/16以上になると、エッジ部の粒状ノイズや擬色は全く発生しなくなる。このことから、超解像処理を前提として光学シフトを行う際の軌跡は、軌跡が円になる場合に限らず、充填率が14/16以上となるように設計することが望ましい。 When the filling rate is 14/16 or more, granular noise and pseudo color at the edge portion are not generated at all. For this reason, it is desirable that the trajectory when performing the optical shift on the premise of the super-resolution processing is not limited to the case where the trajectory is a circle, but is designed so that the filling rate is 14/16 or more.
このように本実施形態は、単板式のカラー撮像素子の複数のGreen画素の円運動(図15,図16の場合では、画素充填に6つのGreen画素の円運動が関与している)による軌跡が、カラー撮像素子の1画素サイズに相当する着目領域(図11を用いて説明した「判定領域」)に対して、高解像度化によって生成されるべき複数のサブピクセル領域の14/16以上を通過するように、光学的シフト機構による円運動の半径を設定したものである、と言うこともできる。 As described above, in the present embodiment, the trajectory due to the circular motion of a plurality of green pixels of the single-plate color image sensor (in the case of FIGS. 15 and 16, the circular motion of six green pixels is involved in pixel filling). However, 14/16 or more of the plurality of sub-pixel areas to be generated by increasing the resolution for the target area corresponding to one pixel size of the color image sensor (the “determination area” described with reference to FIG. 11). It can also be said that the radius of circular motion by the optical shift mechanism is set so as to pass.
図17は、撮像装置におけるシフト半径rと画素の充填率Fuとの関係を示すグラフである。図17に示すように、縦軸に示す画素の充填率Fuは、0.5L≦r<2Lの場合には、横軸に示すシフト半径rが大きくなるに連れて概ね増大する傾向にある。そして、r=2Lの場合に画素の充填率Fuは最大(16/16)となり、その後は、画素の充填率Fuは、r=3Lまで14/16と16/16との間で増減を繰り返す。例えば、r=((0.5L)2+(1.25L)2)1/2(約2.12L)の場合にはFu=14/16となり、r=2.25Lの場合にはFu=16/16となり、r=2.5Lの場合にはFu=14/16となり、r=3.0Lの場合にはFu=16/16となる。 FIG. 17 is a graph showing the relationship between the shift radius r and the pixel filling factor Fu in the imaging apparatus. As shown in FIG. 17, the pixel filling factor Fu shown on the vertical axis tends to generally increase as the shift radius r shown on the horizontal axis increases when 0.5L ≦ r <2L. When r = 2L, the pixel filling rate Fu is maximum (16/16). Thereafter, the pixel filling rate Fu repeatedly increases and decreases between 14/16 and 16/16 until r = 3L. . For example, when r = ((0.5L) 2 + (1.25L) 2 ) 1/2 (about 2.12L), Fu = 14/16, and when r = 2.25L, Fu = When r = 2.5L, Fu = 14/16, and when r = 3.0L, Fu = 16/16.
上述のように、本願の撮像装置では、少なくとも1L≦rの場合には、Fu≧12/16(75%)となるため、超解像処理の効果を向上させることができる。そして、((0.5L)2+(1.25L)2)1/2≦rの場合には、Fu≧14/16(87.5%)となるため、高い超解像処理の効果を発揮させることが可能となり、高い解像度の画像を生成することができる。r=2の場合には、Fu=16/16(100%)となるため特に好ましく、極めて高い超解像処理の効果を発揮させることが可能となる。 As described above, in the imaging device of the present application, Fu ≧ 12/16 (75%) when at least 1L ≦ r, the effect of super-resolution processing can be improved. In the case of ((0.5L) 2 + (1.25L) 2 ) 1/2 ≦ r, since Fu ≧ 14/16 (87.5%), the effect of high super-resolution processing is achieved. This makes it possible to produce high-resolution images. In the case of r = 2, Fu = 16/16 (100%), which is particularly preferable, and an extremely high super-resolution effect can be exhibited.
ここで、シフト半径rが2を越えた場合においても、画素の充填率Fuが14/16(87.5%)または16/16(100%)となることがあるが、画素の円運動を一定の回転数(角速度)で行う場合には、シフト半径rの増大により回転速度(すなわち、光像の変位速度)が増大するため、画像がブレて(いわゆるモーションブラーと同じ状態が発生して)画素積分によって高周波成分が失われ、超解像処理の効果を抑制する要因となる。したがって、ブレの発生等を考慮するとシフト半径rはより小さいことが望ましい。そこで、次に撮像素子の電荷蓄積期間を考慮したシフト半径rの大きさとブレの影響について説明する。 Here, even when the shift radius r exceeds 2, the pixel filling factor Fu may be 14/16 (87.5%) or 16/16 (100%). When the rotation speed is constant (angular speed), the rotation speed (that is, the displacement speed of the optical image) increases due to the increase of the shift radius r. ) High-frequency components are lost due to pixel integration, which is a factor that suppresses the effect of super-resolution processing. Therefore, it is desirable that the shift radius r is smaller in consideration of the occurrence of blurring and the like. Therefore, the shift radius r in consideration of the charge accumulation period of the image sensor and the influence of blur will be described next.
図18は、シフト半径rと光学的シフトによる画素中心の移動量との関係を示すグラフである。ここでは、複数の電荷蓄積期間(5ms〜30ms)について示している。また、光像に対する画素の相対的な円運動の回転数を60rpmとしている。 FIG. 18 is a graph showing the relationship between the shift radius r and the amount of movement of the pixel center due to optical shift. Here, a plurality of charge accumulation periods (5 ms to 30 ms) are shown. Further, the rotational speed of the relative circular motion of the pixel with respect to the optical image is set to 60 rpm.
図18において、縦軸に示す移動量Mは、各電荷蓄積期間における光学的シフトによる画素の移動量であり、ここでは、上述の図11等に示したサブピクセルのサイズを基準として示している(以降、サブピクセルサイズをLSUBと表記する。)。つまり、M=1LSUBは、サブピクセルのサイズLSUBだけ画素が移動したことを示す。ここで、移動量Mが1LSUBを越えた(すなわち、画素の移動範囲が複数のサブピクセルに及ぶ)場合、本来分離されるべき複数のサブピクセルの情報が加算(積分)されてしまうため、折り返し歪みが増大して超解像処理の効果が低下する。一方、移動量Mが1LSUB以下の場合には、個々のサブピクセルの情報は失われず、超解像処理においてブレは殆ど発生しない。したがって、シフト半径rは、移動量Mが1LSUB以下の範囲において充填率Fuが高くなる値を選択するとよい。 In FIG. 18, the movement amount M shown on the vertical axis is the movement amount of the pixel due to the optical shift in each charge accumulation period, and here, the movement amount M is shown on the basis of the size of the subpixel shown in FIG. (Hereinafter, the subpixel size is expressed as LSUB .) That is, M = 1L SUB indicates that the pixel has moved by the size L SUB of the sub pixel. Here, when the movement amount M exceeds 1L SUB (that is, the pixel movement range extends to a plurality of subpixels), information on a plurality of subpixels that should be originally separated is added (integrated). The aliasing distortion increases and the effect of the super-resolution processing decreases. On the other hand, when the movement amount M is 1L SUB or less, the information of individual subpixels is not lost, and blurring hardly occurs in the super-resolution processing. Therefore, the shift radius r is preferably selected to be a value that increases the filling factor Fu in a range where the movement amount M is 1L SUB or less.
例えば、上述のような4×4倍の超解像処理を行う場合には、電荷蓄積期間が15msでは、シフト半径rが2.75以下のときに、移動量Mが1LSUB以下となる。したがって、超解像処理の効果を得るために画素の充填率Fuを考慮すると、シフト半径rは、((0.5L)2+(1.25L)2)1/2≦r≦2.75の範囲で設定するとい。また、画素の充填率Fuが同じであればシフト半径rはより小さいことが望ましいため、シフト半径rは、好ましくは((0.5L)2+(1.25L)2)1/2≦r≦2の範囲で設定するとよい。さらに、画素の充填率Fuが16/16(100%)となるため、シフト半径rは、より好ましくはr=2に設定するとよい。 For example, in the case of performing the 4 × 4 super-resolution processing as described above, when the charge accumulation period is 15 ms and the shift radius r is 2.75 or less, the movement amount M is 1 L SUB or less. Accordingly, in consideration of the pixel filling factor Fu in order to obtain the effect of the super-resolution processing, the shift radius r is ((0.5L) 2 + (1.25L) 2 ) 1/2 ≦ r ≦ 2.75. Set within the range. Further, if the pixel filling rate Fu is the same, the shift radius r is desirably smaller. Therefore, the shift radius r is preferably ((0.5L) 2 + (1.25L) 2 ) 1/2 ≦ r. It is good to set in the range of ≦ 2. Furthermore, since the pixel filling factor Fu is 16/16 (100%), the shift radius r is more preferably set to r = 2.
次に、撮像(サンプリング)について説明する。図19は、撮像と撮像により生成する画像の状況を示す模式図である。ここでは、図19に示すように、光像に対する画素の相対的な円運動を1方向に一定速度で連続して行わせながら撮像が行われ、撮像位置が少しずつずれたフレーム画像F1、F2・・・が順次生成される。図示する撮像基準位置P1、P2・・・は、撮像のタイミングを示すものであり、各々で1枚のフレーム画像が生成される。特にここでは、撮像開始時の画素の中心位置を撮像基準位置として示しており、各撮像基準位置で電荷蓄積が開始され、直後の撮像基準位置の手前で電荷蓄積が完了して画素信号が出力される。 Next, imaging (sampling) will be described. FIG. 19 is a schematic diagram illustrating imaging and a situation of an image generated by imaging. Here, as shown in FIG. 19, frame images F1 and F2 in which the image is captured while the relative circular motion of the pixel with respect to the optical image is continuously performed in one direction at a constant speed, and the imaging positions are slightly shifted. Are sequentially generated. The imaging reference positions P1, P2,... Shown indicate the timing of imaging, and one frame image is generated for each. In particular, here, the center position of the pixel at the start of imaging is shown as the imaging reference position, charge accumulation is started at each imaging reference position, and charge accumulation is completed immediately before the imaging reference position, and a pixel signal is output. Is done.
この円運動の回転速度は上述したPI制御によって安定して保たれ、平行平板53(図10等参照)の回転位置の基準は上述した原点センサ65(図6参照)によって管理され、また平行平板53の傾斜角変動のシフト幅(シフト位置)に対する影響は小さく抑えられているから、各タイミングで撮像されるフレーム画像の撮像位置は極めて高精度に把握されることとなる。 The rotational speed of this circular motion is stably maintained by the above-described PI control, the reference of the rotational position of the parallel plate 53 (see FIG. 10 etc.) is managed by the above-described origin sensor 65 (see FIG. 6), and the parallel plate Since the influence of the inclination angle variation of 53 on the shift width (shift position) is kept small, the imaging position of the frame image captured at each timing can be grasped with extremely high accuracy.
以降、図9、図2を併用して説明する。 Hereinafter, description will be made with reference to FIGS.
この撮像位置に関する情報は径方向磁気センサ39及び原点センサ65の出力に基づき演算処理部92で逐次生成され(いずれも図9参照)、演算処理部92を含むシフト制御部14から記憶部23へ出力され、撮像部11から出力されたフレーム単位の画像データと関連づけて記憶される。そして超解像処理の過程で、撮像位置に関する情報は超解像処理部24で参照され、この際に位置合わせ処理が簡略化される(いずれも図2参照)。
Information regarding the imaging position is sequentially generated by the
なお、超解像処理で適切な高解像化を行うには、全ての画素において均一に変位した状態とすることが望ましく、各画素ライン間で電荷蓄積タイミングに時間差が生じるのは妥当でないため、ここでは全ての画素のシャッタ動作を同じタイミングで行わせるグローバルシャッタ方式が採用される。 Note that in order to achieve an appropriate high resolution by super-resolution processing, it is desirable that all pixels be in a uniformly displaced state, and it is not appropriate to cause a time difference in charge accumulation timing between pixel lines. Here, a global shutter system is adopted in which the shutter operation of all the pixels is performed at the same timing.
また、画素が1回の円運動を行う間に数多くの撮像(サンプリング)を行うことで、超解像処理で得られる高解像度画像の品質を高めることができ、特にここでは、円運動周期を撮像周期の非整数倍に設定する。このようにすると、円運動を繰り返すことで、多数の異なる位置での撮像が可能となるため、撮像位置が微小に異なる画像を多数生成することができるので、超解像処理で得られる高解像度画像の品質を向上させることができる。これに対して、円運動周期を撮像周期の整数倍とすると、円運動を繰り返しても撮像基準位置に変化がなく、1回の円運動で設定可能な撮像基準位置の数に限定される。 In addition, by performing many imaging (sampling) while the pixel performs one circular motion, the quality of the high resolution image obtained by the super-resolution processing can be improved. Set to a non-integer multiple of the imaging period. In this way, by repeating the circular motion, it is possible to capture images at a number of different positions, so a large number of images with slightly different imaging positions can be generated, so the high resolution obtained by super-resolution processing The image quality can be improved. On the other hand, if the circular motion cycle is an integral multiple of the imaging cycle, the imaging reference position does not change even if the circular motion is repeated, and the number of imaging reference positions that can be set by one circular motion is limited.
以下、円運動周期と撮像周期との比率を具体的に定めて、撮像基準位置の例について図20を用いて説明する。図20は、撮像周期と円運動周期との比率の一例での撮像基準位置の状況を示す模式図である。なお、図20では、画素ピッチを1として図示している。 Hereinafter, an example of the imaging reference position will be described with reference to FIG. 20 by specifically determining the ratio between the circular motion period and the imaging period. FIG. 20 is a schematic diagram illustrating the state of the imaging reference position in an example of the ratio between the imaging cycle and the circular motion cycle. In FIG. 20, the pixel pitch is shown as 1.
図20に示す例では、円運動周期を撮像周期の7.5倍に設定している。ここで、撮像周期を例えば30ms(約30frame/s)とすると、円運動周期は225msとなる(=30ms×7.5)。この場合、円運動の2回目で撮像基準位置が原位置に復帰し、円運動が2回行われる間に15回の撮像(サンプリング)が行われる。各撮像基準位置は48deg(=360deg/7.5)の相対角度をもって離間している。なお、超解像効果は画像にブレ(積分効果)があると抑制されるため、撮像素子31における電荷蓄積期間(シャッタ速度)の選定は重要である。この観点からすれば、シャッタ速度は可能な限り高速にすべきである。しかし、一方でシャッタ速度を高速にすると感度不足となりやすいため、被写体の光量に応じてシャッタ速度優先でゲインを補償するのが望ましい。本実施形態ではシャッタ速度を1/250sec(4ms)に設定している。撮像周期=30msに対してシャッタ速度をこの程度にすると、超解像処理における画像のブレによる悪影響は目視上観測されなかった。
In the example shown in FIG. 20, the circular motion cycle is set to 7.5 times the imaging cycle. Here, if the imaging cycle is 30 ms (about 30 frames / s), for example, the circular motion cycle is 225 ms (= 30 ms × 7.5). In this case, the imaging reference position returns to the original position at the second round motion, and 15 times of imaging (sampling) is performed while the circular motion is performed twice. Each imaging reference position is separated by a relative angle of 48 deg (= 360 deg / 7.5). Note that since the super-resolution effect is suppressed when there is blurring (integration effect) in the image, the selection of the charge accumulation period (shutter speed) in the
円運動の1回目では、図20(A)に示すように、撮像基準位置P1〜P8で撮像が行われ、円運動の2回目では、図20(B)に示すように、撮像基準位置P9〜P15で撮像が行われ、各撮像基準位置P9〜P15は、円運動の1回目における隣り合う撮像基準位置(例えばP1とP2)の中間位置となる。円運動の1回目と2回目とを合わせると、図20(C)に示すように、各撮像基準位置P1〜P15が24degの相対角度をもって離間する。 In the first round movement, as shown in FIG. 20A, imaging is performed at the imaging reference positions P1 to P8, and in the second round movement, as shown in FIG. 20B, the imaging reference position P9 is taken. The imaging reference positions P9 to P15 are intermediate positions between the adjacent imaging reference positions (for example, P1 and P2) in the first round motion. When the first and second circular motions are combined, the imaging reference positions P1 to P15 are separated from each other by a relative angle of 24 degrees as shown in FIG.
ここで、円運動の1回目の撮像基準位置P1〜P8での撮像で得られた8枚の画像に基づいて超解像処理を行う第1の処理モードと、円運動の1回目と2回目とを合わせた撮像基準位置P1〜P15での撮像で得られた15枚の画像に基づいて超解像処理を行う第2の処理モードとの2つの処理モードを選択することができる。 Here, the first processing mode in which super-resolution processing is performed based on eight images obtained by imaging at the first imaging reference positions P1 to P8 of the circular motion, and the first and second times of the circular motion. And two processing modes, the second processing mode for performing the super-resolution processing, based on the 15 images obtained by imaging at the imaging reference positions P1 to P15.
第1の処理モードでは、本来の1画素の範囲内に、X軸、Y軸の両方向で位置の異なる2つの撮像基準位置が設定されるため、X軸、Y軸のそれぞれの方向について撮像素子31の本来の解像度のほぼ2倍の解像度で高解像度化を行うことができる。一方、第2の処理モードでは、本来の1画素の範囲内に、X軸、Y軸の両方向で位置の異なる4つの撮像基準位置が設定されるため、X軸、Y軸のそれぞれの方向について撮像素子31の本来の解像度のほぼ4倍の解像度で高解像度化を行うことができる。
In the first processing mode, two imaging reference positions having different positions in both the X-axis and Y-axis directions are set within the original one pixel range, so that the image sensor in each of the X-axis and Y-axis directions. The resolution can be increased at a resolution almost twice the original resolution of 31. On the other hand, in the second processing mode, four imaging reference positions having different positions in both the X-axis and Y-axis directions are set within the original one pixel range. High resolution can be achieved with a resolution almost four times the original resolution of the
特に、この第2の処理モードでは、円運動の2回目で設定される撮像基準位置P9〜P15の各々が、円運動の1回目で設定される撮像基準位置P1〜P8の互いに隣り合うもの同士の中心位置になり、撮像基準位置が偏ることなく均等に分散された状態となるため、超解像処理との適合性に優れた画像を生成することができる。 In particular, in this second processing mode, each of the imaging reference positions P9 to P15 set at the second circular motion is adjacent to the imaging reference positions P1 to P8 set at the first circular motion. Since the imaging reference position is uniformly distributed without being biased, an image excellent in compatibility with the super-resolution processing can be generated.
また、撮像装置1で撮像が行われている最中に撮像装置1で超解像処理を行うことも可能であり、この場合、第2の処理モードでは、円運動が2回行われて15枚の画像が揃う度に1回の超解像処理を行えばよい。
It is also possible to perform super-resolution processing in the
一方、第1の処理モードでは、撮像基準位置を順次シフトさせながら8枚の画像が揃う度に超解像処理を行うとよい。具体的には、1回目で、撮像基準位置P1〜P8での撮像で得られた8枚の画像を用いて超解像処理を行い、2回目で、撮像基準位置P9〜P15、P1での撮像で得られた8枚の画像を用いて超解像処理を行い、以降、3回目では撮像基準位置P2〜P9、4回目では撮像基準位置P10〜P15、P1、P2というように撮像基準位置を1つずつずらすようにする。 On the other hand, in the first processing mode, it is preferable to perform super-resolution processing each time eight images are aligned while sequentially shifting the imaging reference position. Specifically, super-resolution processing is performed using the eight images obtained by imaging at the imaging reference positions P1 to P8 at the first time, and at the imaging reference positions P9 to P15 and P1 at the second time. Super-resolution processing is performed using eight images obtained by imaging, and thereafter, imaging reference positions P2 to P9 for the third time, imaging reference positions P10 to P15, P1, and P2 for the fourth time. Are shifted one by one.
このように2つの処理モードを設定することができ、両モードでは、円運動周期(光学的シフト機構35の回転速度)や撮像周期を変化させる必要がないため、制御が容易である。 In this way, two processing modes can be set. In both modes, it is not necessary to change the circular motion cycle (the rotational speed of the optical shift mechanism 35) or the imaging cycle, and thus control is easy.
なお、各モードでの超解像処理に用いる最初の画像は原位置P1の撮像で得られた画像に限定する必要がなく、第1の処理モードでは、任意の位置から1回の円運動が行われる間に撮像された8枚の画像を用いて超解像処理を行い、第2の処理モードでは、任意の位置から2回の円運動が行われる間に撮像された15枚の画像を用いて超解像処理を行うようにしてもよい。 Note that the first image used for the super-resolution processing in each mode does not need to be limited to the image obtained by imaging at the original position P1, and in the first processing mode, one circular motion is performed from an arbitrary position. Super-resolution processing is performed using 8 images captured during the execution, and in the second processing mode, 15 images captured during two circular motions are performed from an arbitrary position. It may be used to perform super-resolution processing.
このような処理は、図3に示したように、画像処理装置2の記憶部23に蓄積されたフレーム画像を用いて超解像処理を行う場合にも、また撮像装置1での撮像の最中に超解像処理を行う場合にも適用することができ、特に後者の場合には、処理モードの切り替えに伴って撮像開始位置を原位置P1に戻す操作が必要でないため、直ちに処理モードを切り替えて解像度が異なる高解像度画像を生成することが可能になる。
Such processing is performed when super-resolution processing is performed using frame images stored in the
図2に示したように、撮像周期は、画像処理装置2において入力部26を用いてユーザにより指定され、周期設定部25にて、指定された撮像周期に基づいて円運動周期が決定され、ここで決定された円運動周期に関するコマンド信号が撮像装置1に送信される。撮像装置1のシフト制御部14では、画像処理装置2から取得した円運動周期に関するコマンド信号に基づいて、指定された円運動周期に対応する回転速度で光学的シフト機構35を動作させる。
As shown in FIG. 2, the imaging cycle is designated by the user using the
また、ユーザは処理モード(第1の処理モードと第2の処理モード)を指定することができ、図3に示したように、画像処理装置2の記憶部23に蓄積されたフレーム画像を用いて超解像処理を行う場合には、基準画像と共に処理モードをユーザに指定させ、ここで指定された処理モードに応じた数のフレーム画像を、基準画像として指定されたフレーム画像を基準にして読み出して超解像処理を行わせればよい。
Further, the user can designate the processing mode (first processing mode and second processing mode), and uses the frame image stored in the
なお、上記円運動周期は、適宜変更することが可能である。例えば、円運動周期を撮像周期の7.2倍に設定することにより、円運動の5回目で撮像基準位置が原位置に復帰し、円運動が5回行われる間に36回の撮像(サンプリング)が行われる構成も可能である。その場合、各撮像基準位置は50deg(=360deg/7.2)の相対角度をもって離間する。 In addition, the said circular motion period can be changed suitably. For example, by setting the circular motion cycle to 7.2 times the imaging cycle, the imaging reference position returns to the original position at the fifth circular motion, and 36 imagings (sampling) while the circular motion is performed five times. It is also possible to adopt a configuration in which In this case, the imaging reference positions are separated by a relative angle of 50 deg (= 360 deg / 7.2).
本発明について実施例を含む特定の実施形態に基づいて説明したが、これらの実施形態はあくまでも例示であって、本発明はこれらの実施形態によって限定されるものではない。なお、上記実施形態に示した本発明に係る撮像装置の各構成要素は、必ずしも全てが必須ではなく、少なくとも本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。 Although this invention was demonstrated based on specific embodiment containing an Example, these embodiment is an illustration to the last and this invention is not limited by these embodiment. Note that all the components of the imaging apparatus according to the present invention shown in the above-described embodiments are not necessarily essential, and can be appropriately selected as long as they do not depart from the scope of the present invention.
本発明に係る撮像装置は、高解像度空間に再配置された際の光学的シフトによる画素の充填率を向上させることにより、超解像処理の効果を向上させることを可能とし、撮像素子の受光面上で結像する光像と撮像素子とを相対的に微小変位させながら撮像を行う、いわゆる画素ずらしによって取得した複数の原画像から超解像処理により高解像度画像を生成するのに適した撮像装置として有用である。 The image pickup apparatus according to the present invention can improve the effect of super-resolution processing by improving the pixel filling rate due to optical shift when rearranged in a high-resolution space, and can receive light from the image pickup device. Suitable for generating a high-resolution image by super-resolution processing from multiple original images acquired by so-called pixel shift, which performs imaging while relatively displacing the optical image formed on the surface and the image sensor. It is useful as an imaging device.
1 撮像装置
2 画像処理装置
11 撮像部
12 画像処理部
14 シフト制御部
31 撮像素子
35 光学的シフト機構
36 磁気回転駆動部
38 位置制御部
39 径方向磁気センサ
40 軸方向磁気センサ
41 センサモジュール
42 レンズユニット(光学系)
50 光学カプセル
51 光学部材
52 液体(流体)
53 平行平板
54 バックヨーク
55 径側マグネット
56 上マグネット
57 下マグネット
65 原点センサ
72 位置制御コイル
75 電磁石
76 永久磁石
77 連結部材
C 光軸
DESCRIPTION OF
50
53
Claims (4)
前記被写体からの光を前記撮像素子に導く光学系と、
前記撮像素子の受光面上で結像する光像と前記撮像素子との相対的な円運動を行わせる光学的シフト機構と
を備え、
前記円運動の半径は、前記撮像素子における画素ピッチ以上であることを特徴とする撮像装置。 An imaging device having a plurality of pixels, photoelectrically converting light from a subject and outputting a pixel signal;
An optical system for guiding light from the subject to the image sensor;
An optical shift mechanism for performing a relative circular motion between the optical image formed on the light receiving surface of the image sensor and the image sensor;
The radius of the said circular motion is more than the pixel pitch in the said image pick-up element, The imaging device characterized by the above-mentioned.
((0.5L)2+(1.25L)2)1/2≦r≦2L
ここで、rは前記円運動の半径であり、Lは前記画素ピッチである。 The imaging apparatus according to claim 1, wherein the radius of the circular motion is determined by the following expression.
((0.5L) 2 + (1.25L) 2 ) 1/2 ≦ r ≦ 2L
Here, r is the radius of the circular motion, and L is the pixel pitch.
前記被写体からの光を前記撮像素子に導く光学系と、
前記撮像素子の受光面上で結像する光像と前記撮像素子との相対的な円運動を行わせる光学的シフト機構と
を備え、
前記カラー撮像素子のG画素の前記円運動による軌跡が、前記カラー撮像素子の1画素サイズに相当する着目領域に対して、高解像度化によって生成されるべき複数のサブピクセル領域の14/16以上を通過するように、前記光学的シフト機構による円運動の半径を設定したことを特徴とする撮像装置。 A single-plate color image sensor having a plurality of pixels, photoelectrically converting light from a subject and outputting a pixel signal;
An optical system for guiding light from the subject to the image sensor;
An optical shift mechanism for performing a relative circular motion between the optical image formed on the light receiving surface of the image sensor and the image sensor;
The trajectory due to the circular motion of the G pixel of the color image sensor is 14/16 or more of the plurality of sub-pixel areas to be generated by increasing the resolution with respect to the region of interest corresponding to one pixel size of the color image sensor. An imaging apparatus, wherein a radius of circular motion by the optical shift mechanism is set so as to pass through
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JP2017026490A (en) * | 2015-07-23 | 2017-02-02 | 株式会社東芝 | Shape recognition apparatus and method for the same |
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