JP2587861B2

JP2587861B2 - イメージシフト型撮像装置

Info

Publication number: JP2587861B2
Application number: JP63134365A
Authority: JP
Inventors: 員丈上平; 眞松木; 洋酒井; 知明田中
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1988-06-02
Filing date: 1988-06-02
Publication date: 1997-03-05
Anticipated expiration: 2012-03-05
Also published as: JPH01305674A

Description

【発明の詳細な説明】（発明の属する技術分野）本発明は、イメージセンサ上で被写体像と画素の相対
的な位置関係を時間的に変化させるイメージシフト動作
により解像度を倍増するイメージシフト型撮像装置に関
する。

（従来の技術）固体撮像素子は、小型で低消費電力等の長所を有する
ことから、TVカメラやイメージスキャナ等に広く用いら
れている。

しかし、現在実用化されている40万画素の撮像素子の
解像度は撮像管に比べるとかなり低く、このため、高解
像度化が望まれている。最近ではHDTV用に200万画素の
固体撮像素子も開発されつつあるが、これでも印刷用原
稿等の入力用として用いるには未だ解像度が不十分であ
り、さらに高解像度化が求められている。

従来は、上述のように画素数の増加による高解像度化
が試みられてきたが、画素数の増加にはチップサイズの
拡大か、あるいは画素面積の縮小が必要であった。この
うち、チップサイズの拡大は製造歩留まりを低下させ、
コスト増加につながるため、専ら画素面積の縮小による
高解像度化が試みられてきた。

しかし、画素面積を縮小すると信号が小さくなり、S/
Nが劣化する。このS/Nの低下を考慮した場合、上記200
万画素の画素数はもはや限界に近く、現状ではさらに画
素数を増加させ、解像度を向上することは困難となって
いる。

上記高解像度化における限界を克服するため、画素数
を増加することなく解像度を向上させる方法が考案され
ている。この方法は、被写体像と画素の相対的な位置関
係を画素ピッチの1/2だけフレーム毎に時間的に変化さ
せることにより、空間サンプリング領域を増加し、画素
数を増やすことなく解像度を高める方法（以下、イメー
ジシフト法と呼ぶ）である。

このイメージシフト法を実現する方法として、これま
でに２つの方法が提案されている。その１つは、文献
〔テレビジョン学会技術報告.ED736,（1986）〕に記載
されているように、イメージセンサを圧電素子の上に装
着して、1/2画素のピッチの振幅でフィールド毎に１方
向に振動させる方法である。しかし、この方法ではイメ
ージセンサに周期数が十msecという高速な機械的振動を
連続的に加えるため、素子の長期信頼性が低下するとい
う欠点がある。

また、イメージセンサの駆動系に加え、これと同期し
た圧電素子の駆動系が必要となり、構造が複雑となって
いる。さらに、イメージシフトの方向が１方向であるた
め、水平方向あるいは垂直方向のいずれか１方向の解像
度しか高めることができないという欠点もある。

イメージシフト法を実現する方法として提案されてい
るもう１つの方法は、文献〔SID '83 Technical Digest
（1983）〕に記載されているように、イメージセンサの
前面に置いた薄いガラス板を微小な角度で振り、被写体
像を撮像素子上でシフトさせる方法である。この方法で
は、ガラス板を微小な角度で振動させるために複雑な機
械系が必要となるほか、高速な振動が困難であり、撮像
に要する時間が長くなるという欠点がある。

（発明の目的）本発明の目的は、従来のイメージシフト型撮像素子の
上記欠点を解消し、簡単な構造で低コストで製作でき、
高速撮像が可能なイメージシフト型撮像装置を提供する
ことにある。

（発明の構成）（発明の特徴と従来技術との差異）本発明のイメージシフト型撮像装置では、レンズ系を
通過した光を全反射ミラーで反射させた後、イメージセ
ンサ上に結像させる。全反射ミラーは２またはそれ以上
の反射面を持ち、１点を中心にして回転することによ
り、全反射ミラーへの入射光は次々と異なった反射面で
反射する構成となっている。そして、それぞれの反射面
で反射した光がイメージセンサ上で結像する被写体像の
位置は、各反射面毎に画素ピッチの２以上の整数分の１
ずつ上下または左右、あるいは上下および左右にずれて
いるため、上記全反射ミラーの回転により画素ピッチの
２以上の整数分の１ずつイメージセンサ上で被写体像が
シフトすることによって、高解像度がはかられる。

このように、本発明のイメージシフト型撮像装置は、
全反射ミラーを回転させるだけの簡単な機構で実現で
き、従来のイメージシフト型撮像装置と異なり、イメー
ジシフトに機械的な振動を用いる必要がないため、信頼
性が高く、製造コストが安くなるという特徴がある。

（実施例）本発明の一実施例を第１図に示す。第１図において、
１は被写体、２はレンズ系、３は全反射ミラー、４はイ
メージセンサ、5,51,52は被写体１の１点から発した光
の光路を示す。ここで、イメージセンサ４の画素ピッチ
は10μｍとした。また、全反射ミラー３は円形であり、
直径を境界とした２つの反射面31,32に分けられる。２
つの反射面はともに同一材料で形成されており、同じ反
射率をもつが、境界に3.5μｍの段差が存在する。

これを動作させるには、この全反射ミラー３を光路５
からの光の入射角が45度となるように傾け、中心を回転
軸30として図示せざる駆動系により回転させる。被写体
１の１点から発した光はレンズ系２を通過した後、全反
射ミラー３の２つの反射面31または31のいずれか一方で
反射され、イメージセンサ４上に達する。

第２図は、第１図の全反射ミラー３における２つの反
射面で反射された光の位置関係を示す。反射面31で反射
された光は光路51に沿って進み、イメージセンサ上に被
写体像を結像する。次に、全反射ミラーが180度回転す
ると、今度は反射面32で光が反射され、反射された光は
光路52に沿って進み、同様にイメージセンサ上に被写体
像を結像する。２つの反射面の境界に存在する段差の高
さをｄとすると、全反射ミラーの傾きが45度であるた
め、光路51と光路52の距離はとなる。

本実施例では、反射面31と反射面32の境界の段差の高
さを3.5μｍとしたため、光路51と光路52は５μｍずれ
る。

第３図は、反射面31と反射面32で反射された光がイメ
ージセンサ上で結像する被写体像の位置関係を示す。第
３図において、６は画素、71,72は被写体像、８は感光
部を示す。上述のように、反射面31と反射面32で反射さ
れた光が５μｍのずれがあるため、第２図に示すよう
に、２つの反射面で反射された光による被写体像は、イ
メージセンサ上で水平方向に５μｍ、すなわち画素ピッ
チの1/2離れた位置で結像する。このような全反射ミラ
ーをフレーム周期に同期させて回転することにより、各
フレーム毎に被写体像が画素ピッチの1/2ずつシフトす
る。この結果、水平方向の解像度を２倍に高めることが
可能となる。

以上説明したように、本発明では、回転機構という従
来広く用いられている簡単な機構により、イメージシフ
ト型撮像装置を実現することが可能である。

上述した実施例は本発明の最も簡単な例を示したが、
本発明の精神を逸脱することなしに、用途に応じた種々
の変更が可能である。例えば、上記実施例では反射面を
２分割としたため、全反射ミラーの重心が回転軸30から
ずれているが、高速動作が要求され、回転の安定性が問
題となるような場合には、第４図に一例を示すように、
反射面を４の整数倍に分割（31,32,33,34）し、隣合う
反射面毎に凹凸を繰り返すことにより重心と回転軸が一
致し、高速動作時でも安定した回転が実現できる。

また、第５図に示すように、交互に厚みの異なる方形
あるいは長方形の反射板31,33および32,34で全反射ミラ
ーを構成しても、同様に安定な高速回転が可能である。

また、上記実施例では被写体像を画素ピッチの1/2ず
れた２箇所に交互に結像させたが、反射面の種類（ｎと
する）を３以上に増やし、画素ピッチの1/nずつずれた
ｎ箇所に被写体像を順次結像させていくことにより、さ
らに解像度を高めることが可能である。

さらに、上記実施例では被写体像を水平方向にシフト
させたが、垂直方向にシフトさせることにより、同様に
垂直方向の解像度を高めることが可能である。

また、上記実施例では反射面の境界に段差を設け、各
反射面の高さを異なるようにしてイメージセンサ上での
被写体像の位置をシフトさせたが、第６図に示す実施例
のように、反射面の角度を互いに変えることによっても
被写体像のシフトが可能である。また、この方法ではイ
メージセンサ上で上下，左右の双方向に被写体像をシフ
トさせることができるため、水平解像度と垂直解像度を
同時に高めることも可能である。

第６図は、上述した本発明の第２の実施例に用いた全
反射ミラーを示す。この全反射ミラーでは、中心を通る
互いに直交する２つの直線を境界として各反射面が角度
θずつ傾いている。この全反射ミラーを回転させ、順次
各反射面で入射光を反射させてイメージセンサ上に像を
結像させた時の像の位置を第７図に示す。

この場合の像のシフトを、第７図に示す三角形の１つ
の頂点Ａに注目して説明する。まず、反射面31で入射光
を反射させた時は、点ＡはA31に示す位置にある。次
に、全反射ミラーが回転して入射光が反射面32で反射す
ると、反射面32は反射面31に対し上向きに角度θ傾いて
いるため、イメージセンサ上でＡ点は上側にシフトす
る。このシフト量が画素ピツチの1/2となるように角度
θが決められている。このため、Ａ点は第７図のA32で
示される位置にシフトする。次に、入射光が反射面33で
反射すると、反射面33は反射面32に対し右向きに角度θ
傾いているため、イメージセンサ上でＡ点は右側にシフ
トする。このシフト量は同様に画素ピッチの1/2であ
る。このため、Ａ点は第７図のA33で示される位置にシ
フトする。以下、同様にしてＡ点はA34,A31へと順次シ
フトしてゆく。

以上のような全反射ミラーの使用により、イメージセ
ンサ上で像を左右，上下に画素ピッチの1/2ずつシフト
させることができ、この結果、水平解像度とともに垂直
解像度も同時に高めることが可能となる。

（発明の効果）以上説明したように、本発明によるイメージシフト型
撮像装置では、回転機構という従来広く用いられている
簡単な機構を用いてイメージセンサ上でイメージをシフ
トさせるので、低コストで、かつ簡単な構造により解像
度を高めることができる。また、反射面の数を増やし、
各反射面毎に高さや角度を異ならすことにより、多段階
のイメージシフトが可能になり、２倍以上の高解像度化
も容易である。さらに、反射面の角度の調整により、上
下，左右の双方向イメージシフトが可能になり、水平方
向と垂直方向を同時に高解像度化できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成図、第２図は第１図の
全反射ミラーにおける２つの反射面で反射された光の位
置関係を示す図、第３図はイメージセンサ上で結像する
被写体像の位置関係を示す図、第４図および第５図は高
速回転動作に適合した全反射ミラーの各例を示す斜視
図、第６図は本発明の第２の実施例の全反射ミラーを示
す図、第７図は第６図によるイメージセンサ上で結像す
る被写体像の位置関係を示す図である。１……被写体、２……レンズ系、３……全反射ミラー、
30……回転軸、31,32,33,34……全反射ミラーの反射
面、４……イメージセンサ、5,51,52……被写体の１点
から発した光がイメージセンサに達するまでの光路、６
……画素、71,72……被写体像、８……感光部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田中知明東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内 (56)参考文献特開昭63−129313（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−186218（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−15376（ＪＰ，Ａ) 実開昭58−172271（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】イメージセンサ上で被写体像と画素の相対
的な位置関係を時間的に変化させるイメージシフト動作
により解像度を倍増するイメージシフト型撮像装置にお
いて、被写体とイメージセンサを結ぶ光学系の間に複数
の反射面を持つ全反射ミラーを設置し、この全反射ミラ
ーを回転することにより入射光を複数の各反射面で順次
反射させ、反射光がイメージセンサ上で結像する被写体
像の位置が画素ピッチの1/N（Ｎは２以上の整数）を単
位として、その整数倍，上下または左右，あるいは上下
左右の双方にずれた位置となるよう、分割された各反射
面が形成されていることを特徴とするイメージシフト型
撮像装置。