JP2012518356A - センサシステムおよびデジタルカメラ - Google Patents
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Abstract
Description
3種の主なカメラタイプの発展
現在の写真撮影用カメラは、第1の「ボックス」と「ベローズ」モデルから、20世紀後半に3種の基本フォーマットに発展した。
図1は、エンクロージャー、対物レンズおよび写真フィルムの平坦部または平坦なセンサを含む従来のカメラの単純化された図である。
レンジファインダーカメラは、専門家のための初期のLEICATMの35ミリカメラから一般大衆のための後期の「INSTAMATICTM」のフィルムタイプまでの広い範囲に類型化される。(大部分のKODAKTMのINSTAMATICTMカメラは、焦点を合わせることができないため、これらは本当のレンジファインダーではなかった。わずかの「インスタメティクタイプ」モデルは焦点を合わせ、レンジファインダーとしてこれらに資格を付与する、「撮影」レンズから分離する「観察」レンズがあった。)
現在、普通のカメラマンに最も人気のフォーマットは、「ポイント・アンド・シュート」カメラである。これらは、最初はフィルムカメラとして発売されたが、今はほとんどがデジタルである。多くのものが、光学系を交替する可能性がなく、永久に取り付けられた光学ズームレンズを有している。光学ズームは、一般的に若干広角視野から適当な望遠視野までに達する4対1の範囲を有する。光学ズームは、収容可能な結果と速度に対し、この範囲をあまり超過しない。いくつかの製造業者は、この4対1の範囲を超過して光学ズームを押すが、結果としてのイメージと速度は悪くなる。他の製造業者は、これらの光学的範囲を増やすために、デジタルズームを追加しているが、次に説明する理由によって、大部分の刊行物編集者とカメラマンが現在嫌がっている結果を招く。
一眼レフカメラは、アクセサリーレンズの幅広い選択ができるため、まじめなアマチュアおよび専門家によって最も一般的に用いられる。
光学ズームレンズは、レンズをSLRに交替する必要を減少させる。カメラマンは、大部分の撮影に対して簡単にズームインしたりズームアウトしたりする。依然として、いくつかの状況では、さらに広く、さらに長いアクセサリーレンズもSLRと共に要求され、カメラマンはとにかくレンズを交替する。
a)柔軟なメンブレインに取り付けられ、複数の分離したウェハー要素に分けられ、メンブレインは非平面形態に形状化されるウェハー;または
b)中央領域から放射状に広げられ、非平面形態に曲げられる複数の花びら状のセグメント;または
c)ウェハーを非平面形態に合わせるために、モールドの途中に加熱されるウェハー。
a)一般的にらせん状;または
b)蛇腹式の形状;または
c)リングに接触するように配置されるブラシで終わる、一般的に半径方向の形状。
1.曲線状のセンサ:球体の一般的に連続する部分、または放物線や楕円のような円錐部分の回転部または他の非平面形状。一般的な曲線状のセンサ12の例は、図4A、図4Bおよび図4Cに示す。本明細書において、曲線状のセンサの多様な実施例は、参照符号12、12a、12b、12c等で確認される。
図14は、広角写真を撮影するカメラを示す。図15は、一般視野写真を撮影する同一のカメラを示すが、図16は、望遠写真の視野を示す。それぞれの視野で、場面は同一に維持される。カメラ上のビュースクリーンは、図14でパノラマ、図15で一般視野、および図16で遠距離の細部事項を表示する。光学ズームのように、デジタルズームは、カメラセンサによって捕捉された場面を正確に作動者に表示する。
本発明のいくつかの実施例において、デジタル的にズームされる望遠写真イメージが捕捉されるセンサの中央は、さらに高い品質のデジタル的にズームされるイメージを可能にする密なピクセルから構成される。
本発明の他の実施例は、広角であっても望遠写真であっても捕捉されるイメージを感知する、レンズシェードを含む。カメラが広角イメージを感知するとき、これはシェードを後退させ、その結果でシェードはイメージ領域に到達しない。イメージが望遠写真であることをカメラが感知するとき、シェードは延びて、フレア(flare)と曇りイメージを引き起こす、イメージでない領域から外部に入射する光を遮断する。
図19は、マルチ−レンズカメラ56の断面を示す。図20は、一般的にカメラのエンクロージャー(enclosure)14の一側面に配置される複数の対物レンズ58を通過するときに流入される光18を示す断面図である。それぞれのレンズの後にある曲線状センサ12は、信号を発生させる。すべての信号は、継ぎ目(seam)なくイメージを共にステッチする一つ以上のプロセッサ22に供給される。プロセッサ22は、ユーザのコントロール24によって調整され、バッテリー26によって動力の供給を受ける。イメージは、出力ポート30と連結されるメモリ28に供給される。一実施例において、センサはわずかに曲線状である。センサのピクセル密度は、中央レンズに対して役割をするものが、センサによって更に密にカバーされるように変更されてもよい。この形態は、さらに高い分解能のズームを可能にする。
本発明の実施例は、レンズの交替を必要としないため、従来のカメラに悪影響を及ぼす埃の問題を減少させる。したがって、カメラ胴体部およびレンズは封止される。イメージの品質を阻害する埃が流入されない。窒素やアルゴンのような不活性気体がエンクロージャー14の内部にあるレンズチャンバーとセンサチャンバーに封止されてもよく、酸化を減少させる。もし、アルゴンが使用されれば、カメラは、アルゴンの断熱性能によっていくつかの利益を得て、温度変化が穏やかになる。
広角レンズおよび望遠写真レンズが、SLRを有することよりもセンサにさらに近く永久的に固定されるので、本発明の実施例の光学的性能は従来のカメラよりも良好である。これは、SLR鏡のクリアランス(clearance)に対する必要がないためである。この改善は、さらに高性能の光学デザインを可能とする。本発明の実施例を使用する新しいカメラは、さらに小さく、さらに軽く、さらに鮮明で且つさらに速い。さらに低い光度条件でも問題が少なくなる。
図21は、鏡の付いたカメラとレンズの組合わせ60を含む、本発明のさらに他の実施例を示す。第1および第2の対物レンズ62,64は、流入される光18を収集する。第1センサ66は中央に位置するイメージを捕捉し、第2センサ68は鏡70から反射されたイメージを捕捉する。プロセッサは、「ドーナツ」イメージを「ドーナツ穴」イメージとともにステッチする。
図23Aおよび図23Bは、センサ組み立てを容易にするために、ギャップ34によって分離されるセンサセグメント32cを有する一連の他のセンサアレイを示す。この実施例において、このセンサアレイを用いるスチルカメラは、連続して2つの写真を速く撮影する。第1センサアレイは、この本来位置74に示され、また、回転した位置76に示される。センサアレイの位置は、第1および第2の写真が撮影される間に変更される。ソフトウェアが第1露出から消失したイメージを認識し、第2露出からのデータをステッチするのに用いられる。センサ運動の変化または方向切り換えは、センサ面のパターンによって異なってもよい。
図25A、図25B、図25Cおよび図25Dは、センサ82,84,86,88の4個の別の実施例のための4個の他のグリッドパターンを示す。面32e,32f,32g,32hの間のギャップ34は、曲線状センサを形成する製造ステップを可能とする。
図26、図27および図28は、センサに対する電気連結部の別の実施例の図面を提供する。
図29は、無線連結部118のブロック図を提供する。センサ12は、受信機122に信号を無線で伝送するトランスミッター120に連結される。受信機は、信号プロセッサ124に連結される。
本発明の他の別の実施例において、カメラの光学トレインの部分は、露出中に意図的に不安定になる。この実施例は、センサの面の間のギャップのために、イメージの喪失した部分を回復するための方法を提供する。本発明のこの実施例は、一つ以上のジャイロまたは慣性運動ユニットを含む。
高い分解能のデジタルズーム
さらに速い
さらに軽い
さらに安価である
さらに長いフォーカシング範囲
さらに信頼できる
さらに低い色収差
さらに正確なピクセル分解能
フラッシュまたは投光照明に対する必要を除去する
広角から望遠写真へのズーム
SLRがもうこれ以上必要ない
マシーンビジョンカメラ
マシーンビジョンカメラは、ある場合にはロボット制御で作動し、他の場合には製造工具で作動する。生産されたフィルムのシートにある欠陥、半分だけ満たされたボトル、または間違って位置したラベルのような、欠陥を感知するこれらの能力は、たびたび高速で適切な分解能および色忠実度に依存する。本発明によって実行されるとき、エッジにある光線が、あたかも中央にある光線のように直角にセンサに衝突するので、イメージ品質が改善される。反射された光は減少する。この曲線状の形状はまた、あまり複雑でないレンズを有するセンサにわたって、光の強度の均衡を維持する。センサのエッジに入射する光線がこれ以上進行せず、「レインボースプレッド(rainbow spread)」を減少させるので、色収差もまた複雑なレンズデザインを必要とせず、エッジで減少する。流入される光子が直角に近い角度でセンサのエッジに衝突するので、反射光がレンズを通じてカメラを再び離れる傾向がある。次のピクセルでブリードされることも減少する。また、流入される光は、センサにわたって更に均一に均衡が維持される。これは、すべて過度なレンズ補正を必要とせずに達成され、分解能およびコントラストをさらに密集させることから光学デザイナーを自由にする。この利点は、従来の単眼マシーンビジョンカメラに適用することができ、また、ステレオ適応に適用される。ステレオ適応は、交互極性を有するセンサ、および異なる極性を有する二つのレンズを使用することができる。ステレオバージョンはまた、白黒で3−D効果を生成する、フィルタリングセンサを有する、二つの異なるレンズの上にまたはレンズの内部にカラーフィルタを使用することができる。言及される全てのバージョンは、さらに速いレンズを生成する性能から利益を得て、したがって、利用可能な光があまり強くないが、依然として視覚データを捕捉する。または、レンズデザイナーは、さらに精密な色とともに、さらに高いコントラストと分解能を伝達することができ、従来のレンズよりもさらに速い速度を有することができる。
天文学、野生写真、航空機写真、軌道写真およびスポーツ写真のような、いくつかの適用は極度の望遠写真レンズを有するカメラを使用する。本発明によって実行されるとき、流入する光線が平行にさらに近いので、このカメラのためのセンサは、たびたびさらに小さい曲率を有することができる。しかしながら、センサにおいて小さい曲率は、この光学系デザインに対する同一の利点を作り出す。色収差、センサにわたった強度の変化、およびエッジに隣接する個々のピクセルの内に、個々のピクセルの下からブリードされることに対する心配なく、全てのデザイン作業は分解能とコントラスト、または速度、またはいずれにも対してさらに多くフォーカシングされることができる。いくつかの場合に、このカメラは、可視スペクトルの外側にある光を捕捉することから、利益を得ることができる。
殆どのカメラは、これらの普通レンズと1メートル離れたことよりもさらに近くフォーカシングすることができない。クローズアップ写真を撮影するために、交替可能なレンズを有するカメラは、度々さらに近づけることを可能とする多様な「マクロ」レンズを有する。これらはまた、依然として近所にある人物の通常の写真、または、さらに遠く離れた水平線写真を撮影することができる。しかしながら、短所は、マクロレンズが遅いことである。殆どのレンズラインにおいて、マクロレンズは、これらの標準レンズで通過されるものの4分の1よりも少なく光を通過させる。本発明は、普通レンズとマクロレンズに置かれる制限を除去するので、センサにかけて光を均一に分布させ、平均して直角に近くセンサに衝突することによって、新しいレンズデザインは、速度の損失無しでさらに近いフォーカシングに集中することができる。または、光学系デザイナーは、従来のマクロレンズのように遅くなるように選択できるが、以前のものよりもさらに多くの分解能、コントラストまたは色忠実度を提供する。
このカメラは、さらに多くの光を捕捉するために、さらに大きなレンズおよび隙間を使用する。人為的な光は必要ない。これは、ブレ(blurring)なく動作を捕捉するシャッター速度で月光写真撮影を可能とする。レンズデザインが平坦なセンサによって与えられた制限から自由になるので、これは、最初に曲線状センサによって可能である。これらの制限は、エッジで色収差を減少させるために必要である。センサデザインはまた、平坦なセンサのエッジでさらに弱くなる光の再均衡を維持するための必要性から、自由になる。センサデザインはまた、本発明によれば、光が直角に近くピクセルをアンダーカット(undercutting)するので、エッジでピクセルを弱化させて隣接するピクセルでブリードされる鋭角の光に対する心配から自由になる。光学系デザインは、このようなさらに速いレンズでさらに多くの光を捕捉するのに集中することから自由になる。
今日のポケットカメラの最も広く普及された例は、携帯電話によって行われる広範囲な写真撮影である。このような結果は受け入れられるが、拡大するとき通常の視覚標準に及ばない。その次に、これらは「画素化」、拡大されまたは切り取られるとき「ジャギー(jaggies)」を得る。光学系およびセンサデザイナーは、平坦なセンサのエッジで色収差およびブリードに集中しなければならないので、分解能が悪くなる。本発明は、これらの問題点を除去するので、新しいポケットカメラはさらに高い品質のイメージを伝達するようになる。
狭い周波数がたびたび使用されて増幅されるので、この装置は、センサのエッジで色収差によって常に制限されることではない。本発明によって実行されるとき、平坦なセンサが有するものよりも低いブリードがピクセルの間にあるので、さらに高い分解能がエッジの近傍で可能となる。再び、平均光が直角に近い角度でセンサに衝突するので、迷光(stray light)が減少する。
本発明が実行されるとき、平坦なセンサと対照的に、さらに多くの光およびさらに良い細部事項が見られる。これは、光線が直角にさらに近い角度でセンサに衝突するので、減少された迷光に起因する。これはまた、さらに短い距離を進行する光線に起因した、センサのエッジで色収差の減少に起因する。センサにかけて光の強度に均衡を維持する必要が減少される。これは、さらに大きい倍率で、光学系デザインがさらに明るく且つさらに鮮明なイメージを得ることに、さらに集中するようにする。
動脈、消化管、生殖器などに入るミニカメラは、本発明を用いてさらに小さいサイズを有する、さらに良好なイメージを生成することができる。これは丸いため、本発明そのものは、相応の平坦なセンサよりもさらに小さい半径を有する。光学系はまた、さらに簡単であり、さらに少ない色収差がエッジで起こるので、依然としてさらに良好なイメージを伝達し、エッジでセンサの間のブリードが減少し、角度をなしてレンズ表面に衝突する光線によって生成される入射光または迷光が減少する。内科医師は、さらに詳細に毛細血管、ポリープ、癌および潰瘍を見ることができる。
本発明を用いた光学系のより優れた分解の可能性およびコントラストの可能性は、さらに少ない稼動部品とさらに良好なイメージを有するコピー機を可能とする。
追加的な適用
本発明を含む追加的な適用は、次を含むが、これらに限定されない:
望遠鏡
ソーラーアレイ
双眼鏡および単眼鏡
分光学
偵察(surveillance)
RFIDシステム、遠隔温度感知装置、IRチップ、測量機構
磁気共鳴映像
12:曲線状センサ
14:エンクロージャー
16:対物レンズ
18:流入する光
20:センサからの電気的出力
22:信号プロセッサ
24:ユーザコントロール
26:バッテリー
28:メモリ
30:カメラ出力
32:面
34:面の間のギャップ
36:ビア
38:配線バックプレーン
40:隣接した花びら形状セグメントから形成される曲線状センサ
42:花びら状のセグメント
44:カメラモニター
46:一般的に均一したピクセル密度を有する従来のセンサ
48:中央に向かってさらに高いピクセル密度を有するセンサ
50:ピクセル
52:後退したシェード
54:延びたシェード
56:マルチ−レンズカメラアセンブリー
58:対物レンズ
60:鏡の付いたカメラ/レンズの組合わせ
62:第1対物レンズ
64:第2対物レンズ
66:第1センサ
68:第2センサ
70:鏡
72:側面設置センサ
74:本来位置にあるセンサ
76:回転した位置にあるセンサ
78:本来位置にあるセンサ
80:変位位置にあるセンサ
82:別の実施例のセンサ
84:別の実施例のセンサ
86:別の実施例のセンサ
88:別の実施例のセンサ
90:一実施例のセンサの背面図
92:らせん状の伝導体
94:センサに対する連結部
96:プロセッサに対する連結部
98:一実施例のセンサの背面図
100:蛇腹式の伝導体
102:センサに対する連結部
104:プロセッサに対する連結部
106:一実施例のセンサの背面図
108:半径方向の伝導体
110:ブラシ
112:ブラシ接触点
114:環状リング
116:センサの中央、プロセッサに対する連結点
118:無線連結部
120:トランスミッター
122:受信機
124:プロセッサ
150:カメラ
154:エンクロージャー
156:レンズ
160:センサ
162:面
164:ギャップ
170:中央四角形
172:四角形のリング
176:四角形のリング
180:シェード延長装置
182:内部シェード部材
184:移動可能なシェード部材
186:外部の移動可能なシェード部材
190:レンズ移動メカニズム
200:イメージシーケンスプロセッサ
202:センサ捕捉素子
204:オート素子
206:ピクセル密度正規化素子
208:イメージプロセシングエンジン
210:ディスプレイ/LCDコントローラ
212:圧縮および格納コントローラ
240:センサ不安定化アクチュエーター
250:カメラ
256:レンズ
260:センサ
270:中央領域面
272:取り囲む領域面
274:シャッターコントロール
280:レンズシェードアクチュエーター
290:レンズフォーカシング/安定化アクチュエーター
390:レンズ移動メカニズム
Claims (15)
- ハウジング(154)と、平坦な面(162,270,272)の配列を含むセンサ(160,260)へイメージを表す入射光を誘導するために配置される対物レンズ(156,256)と、を備えるカメラ装置(150,250)であって、
前記センサは、出力イメージ信号を提供するために配置される前記カメラ装置(150,250)において、
前記面は、前記配列が2次元平面の外部に延びるように同一平面に存在しないことを特徴とするカメラ装置。 - 前記面は前記光を受信するためのピクセル(50)を有し、前記配列の中央領域(170)におけるピクセル密度は、前記配列のエッジに向かっているピクセル密度よりもさらに高いことを特徴とする請求項1に記載のカメラ装置。
- 前記ハウジング(154)は、ユーザにより選択される視野角によって前記レンズの軸に一般的に平行な方向に前記ハウジングから自動延長され、前記ハウジングに向かって後退することができる少なくとも一つのシェード要素(184,186)を有することを特徴とする請求項1または2に記載のカメラ装置。
- 前記面は多角形であり、一つ以上のほぼ中央の面(170)の周囲にある前記面(172,176)の連続するリングに配置されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のカメラ装置。
- 前記面は、前記中央面(170)から前記外部面(172,176)に行くにつれてサイズが減ることを特徴とする請求項4に記載のカメラ装置。
- 複数の長い面(42)が一つ以上の中央面から半径方向の外側に延びるように配置されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のカメラ装置。
- 前記ハウジング(154)は、密閉されるように封止され、アルゴンを含むことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のカメラ装置。
- 相応の出力イメージ信号を生成するために異なる配置にある前記装置であって、
前記装置が少なくとも第1露出および第2露出を行う手段と、複合イメージを提供するために出力イメージ信号を処理する手段と、を含むことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のカメラ装置。 - 前記装置の前記異なる配置は、前記レンズ(156)の異なる位置を含むことを特徴とする請求項8に記載のカメラ装置。
- 前記装置の前記異なる配置は、前記センサ(160)の異なる位置を含むことを特徴とする請求項8または9に記載のカメラ装置。
- ハウジング(154)、対物レンズ(156,256)、および前記レンズを通過する入射光を受信するために配置される非平面センサ(160,260)を含むカメラ装置において、
a)前記センサは複数のピクセル(50)を含み、前記センサの中央領域における前記ピクセル密度は前記センサの中央でない領域(172,176)よりも高く、
b)露出の視野角によって前記レンズを遮るために前記ハウジングから自動で移動することができる少なくとも一つの移動可能なシェード要素(184,186)が設けられ、
c)前記センサは、これらの間にギャップ(164)を有する複数の面(162,270,272)を含み、第1配置と第2配置の間で前記レンズをティルトするための手段が備えられ、前記第1および第2配置に相応するイメージ信号を受信し、複合イメージにこれらを結合するための他の手段が備えられることを特徴とするカメラ装置。 - 同一平面に存在しない面(162,270,272)を含むセンサ(160,260)を有し、前記面はこれらの間にあるギャップ(164)を有する、カメラ装置(150,250)を用いてイメージを生成する方法において、
前記方法は、
第1配置でほぼ停止するように維持される前記カメラ構成要素で第1露出を行うステップと、
前記カメラ構成要素が第2配置にあるように前記カメラ構成要素のうち少なくとも一つを移動させるステップと、
前記第2配置でほぼ停止するように維持される前記カメラ構成要素で第2露出を行うステップと、を含むことを特徴とするイメージを生成する方法。 - 前記第1配置から前記第2配置への変化は、前記レンズ(156,256)の移動、前記センサ(160,260)の移動、および/または、前記レンズの内部部品の相対的な移動によって行われることを特徴とする請求項12に記載のイメージを生成する方法。
- エンクロージャー(154)と、センサ(160,260)へイメージを表す入射光を誘導するために配置される対物レンズ(156,256)とを含み、前記センサは、出力イメージ信号を提供するために配置されるカメラ装置において、
前記センサは、凹状の曲線表面の形態であることを特徴とするカメラ装置。 - 対物レンズを通じて入射される光に応じて出力イメージデータを供給するために配置される非平面センサ(260)を含むカメラ装置(250)において、
前記装置は、
前記レンズをフォーカシングおよび/または安定化、不安定化するためのメカニズム(290)、および/またはセンサを不安定にするためのメカニズム(240)を制御し、前記カメラ装置のシャッターコントロール(274)を作動させ、また、外部の光からレンズを選択的に遮るためのメカニズム(280)を制御する、イメージシーケンスプロセッサまたはモニターの形態のコントローラ(200)と、
前記コントローラ(200)にデータをフィードバックし、また、ピクセル密度正規化回路(206)にデータを供給する、センサ出力データを捕捉するための回路(202)と、
前記ピクセル密度正規化回路の出力を入力として有し、ディスプレイコントローラ(210)、圧縮および格納コントローラ(212)に出力を供給するイメージプロセシングエンジン(208)と、を含むことを特徴とするカメラ装置。
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