JP3072988B1

JP3072988B1 - 撮像装置

Info

Publication number: JP3072988B1
Application number: JP11042934A
Authority: JP
Inventors: 高田勝啓
Original assignee: Olympus Optic Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1999-02-22
Filing date: 1999-02-22
Publication date: 2000-08-07
Anticipated expiration: 2019-02-22
Also published as: JP2000244799A; US6545714B1

Abstract

【要約】【課題】六つ切り程度以上に拡大しても銀塩写真に匹
敵する高品位な画像を撮影することができ、開口値Ｆ４
を越えた絞り値によって被写界深度がコントロール可能
な、小型低コストな撮像装置。【解決手段】光学系１０による物体の像を電子撮像素
子２０上に結像することによって、物体の画像情報を得
る撮像装置であって、光学系１０には光束径を縮小化す
ることによりＦ４以上の開口値を得ることが可能な構造
物を有しており、かつ、光学系１０に求められる性能
は、解像可能画素単位に対応する画素ピッチに対して、
点像強度分布の９０％エンサークルドエネルギーの直径
が８倍程度の大きさまで許容でき、撮像素子２０の画素
ピッチは５μｍ程度以下であり、また、その画素数は解
像可能画素単位を満たす２５０万程度以上である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、撮像装置に関し、
特に、銀塩写真に匹敵する高品位な画像を撮影すること
ができ、被写界深度がコントロール可能で、小型低コス
トな撮像装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】写真画質に匹敵する画像を得ることが可
能な印刷用等の用途を想定した業務用デジタルカメラが
ある。これらは２００万画素を越える画素数を有しては
いるものの、撮像素子の画素ピッチが約７．５〜１０μ
ｍｍ前後以上と大きく、撮像素子サイズが１インチを越
えた大きな撮像素子となっている。そのため、１枚のウ
ェハーから得られる素子の数に制限があり、コストをあ
る程度以上下げることができないという問題がある。

【０００３】撮像素子の製造コストを下げるためには、
素子サイズを小型化し、１枚のウェハーから多くの素子
を得るようにすることが最も効果的である。しかし、素
子サイズを小型化するためには、画素数を下げるか、画
素ピッチを小さくする必要がある。

【０００４】比較的安価な撮像装置として商品化されて
いる装置には、１／３〜２／３インチサイズの１００〜
２００万画素程度の撮像素子を用いているものが多い。
後で詳細に述べるが、この画素数では六つ切り（２２８
ｍｍ×１８６ｍｍ）以上に拡大すると、写真画質に匹敵
する画像は得られない。

【０００５】従来の装置では、撮像素子の画素ピッチか
ら決まるナイキスト周波数まで十分な光学性能を有する
レンズ系を用いている。したがって、撮像素子の画素数
が保有する最大解像度を画像として高性能に実現するこ
とを意図している。

【０００６】さらには、モアレ画像や偽色の抑制のた
め、光学ローパスフィルターを装備する必要がある場合
には、ローパスフィルターによる性能劣化をも考慮し、
その劣化分を上乗せした光学性能をレンズとして確保
し、その上で光学ローパスフィルターにより結像性能を
劣化させる構成をとっている。

【０００７】この従来の考え方の延長では、画素ピッチ
が小さくなると、その分ナイキスト周波数が高周波にな
り、レンズ系に求められる光学性能が極めて高いものと
なる。とりわけ、光学ローパスフィルターで劣化する空
間周波数中域での性能を向上させようとすると、ほとん
ど理想レンズに近い性能を出さなければならない（特開
平１０−１４８７５４号）。

【０００８】一方、汎用性のある撮像装置では、多種多
様の条件下で適切な撮影が可能なように、レンズに開口
絞りを設け、撮像素子に達する光量を制御することによ
って、適正に露出制御された画像を得るように求められ
る。適正に露出制御されていないと、ノイズが多い画像
となったり、シャドウ部のディテールに劣る画像しか得
られなくなる。

【０００９】また、開口絞りにより通過する光束径が小
さくなると、回折作用を強く受け、レンズ系による点像
強度分布が広がる現象が生じる。いわゆる回折ボケであ
る。この回折ボケを防ぐために、ＮＤフィルターを挿入
したり、電子シャッターにより露出時間を制御すること
により適正露出を得たりする方法が考案されている（特
開平６−１５３０６６号、特開平１１−８８０３号）。

【００１０】しかし、絞りを絞る効果としては光量の調
整だけではなく、被写界深度を調整する機能も有してお
り、ＮＤフィルター等によって光量を調整する方法で
は、被写界深度に対する効果は得られなくなる。

【００１１】この回折ボケは撮像素子の画素ピッチとは
全く関係のない光学系単独で生じる現象であるから、同
じボケ量であっても、画素ピッチが小さい程受ける影響
が大きく、画質が劣化する。

【００１２】前述の通り、撮像素子の保有する最大解像
度を画像として高性能に実現することを意図する従来の
考え方では、回折ボケによる画像劣化は大きな課題であ
り、特に小さな画素ピッチになる程回折ボケによる画質
劣化の影響を強く受けるため、ある程度以上絞らない
か、ある程度以上画素ピッチを小さくしないことが望ま
しくなる。

【００１３】また、いわゆる輪郭強調の処理を施すこと
により、回折ボケが出ている絞り値の画像でも、見た目
にシャープ感のある画像を得る手法が提供されている
（特開平５−３４７７３０号）。現在、コンシューマ用
途に商品化されている撮像装置も、ほとんどがこの輪郭
強調処理を用いており、一見してシャープな画像に見え
る。電気的にはほとんど無制限に輪郭強調処理を施すこ
とは可能であるが、無理な強調処理をかけると、大きく
拡大したとき、極端に画像が劣化する。したがって、輪
郭強調のレベルは極力低くしておくことが、画像の高品
位化のためには望ましく、従来のコンシューマ用途の撮
像装置では、この点からも到底銀塩写真の画質には達し
ていない。

【００１４】このように、既存の商品や従来例では、六
つ切り程度以上の大きな画像とした場合には、銀塩写真
に匹敵する画像を得ることはできず、また、従来の考え
方の延長では、画素ピッチをある程度以上縮小化できな
いために、装置の小型化に障害となるか、あるいは、開
口値を大きくしていくことができずに、被写界深度の制
御等が行えないといった結果となり、銀塩写真と同等の
高品位な画像を得る小型低コストな撮像装置を達成する
ことはできない。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は従来技術のこ
のような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的
は、六つ切り程度以上に拡大しても銀塩写真に匹敵する
高品位な画像を撮影することができ、開口値Ｆ４を越え
た絞り値によって被写界深度がコントロール可能な、小
型低コストな撮像装置を提供することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の撮像装置は、光学系による物体の像を電子撮像素子
上に結像することによって、物体の画像情報を得る撮像
装置であって、前記光学系には光束径を縮小化すること
によりＦ４以上の開口値を得ることが可能な構造物を有
しており、かつ、下記の条件を満足することを特徴とす
るものである。（１）１．５＜φ／Ｐ×√（２．５／Ｎ）＜８．０（２）０．００１５＜Ｐ＜０．００５５〔ｍｍ〕（３）２．４＜Ｎ＜２０〔１００万〕ただし、φは略画面中心における絞り開口値Ｆ５．６、
波長ｅ−線での、光学ローパスフィルターによるローパ
ス作用を除いた、光学系による点像強度分布の９０％エ
ンサークルドエネルギーの直径の大きさ（単位はｍ
ｍ）、Ｎは撮像素子の画素数（単位は１００万）、Ｐは
撮像素子の画素ピッチ（単位はｍｍ）である。

【００１７】この場合に、使用する全てのフォーカス位
置で下記の条件を満足することが望ましい。（６）｜Ｈ／Ｌ｜＜０．２０ただし、Ｈは撮像素子の画像生成に関わる撮像面の対角
線長、Ｌは撮像面から測った光学系の射出瞳位置までの
距離であり、光学系がズームレンズの場合には、Ｌは広
角端から望遠端の間の最も撮像面側に近い射出瞳位置で
ある。

【００１８】また、下記の条件を満足することがより好
ましい。

【００１９】（４）２．０＜φ／Ｐ×√（２．５／Ｎ）＜６．５また、下記の条件を満足することが好ましい。

【００２０】（９）３＜Ｈ＜１７〔ｍｍ〕ただし、Ｈは撮像素子の画像生成に関わる撮像面の対角
線長である。

【００２１】その場合に、下記の条件を満足することが
より好ましい。

【００２２】（１０）４．２＜Ｈ＜１２〔ｍｍ〕また、光学ローパスフィルターを使用しないことがより
好ましい。

【００２３】なお、以上の撮像装置はカラー撮像装置と
して構成することが望ましい。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明において上記構成を
とった理由とその作用について説明する。

【００２５】人間の眼の標準的な角度分解能を１’（視
力１．０に対応）と考えると、この値は限界解像力を得
る値であるから、画像に含まれるラインアンドスペース
がシャープな画像として認識できる分解能はそれよりも
下がったところ（大きい角度）にあると考えられる。

【００２６】例えば、その立体角を１．６７’（視力
０．６に対応）程度と考えると、例えば４０ｃｍ離れた
位置から画像を観察するとき、０．１９４ｍｍの大きさ
まではシャープな像と認識できることになる。したがっ
て、４０ｃｍ離れた位置からＡ４（２１０ｍｍ×２９７
ｍｍ）サイズのプリントを観察することを考えると、プ
リント画像をシャープな画像として認識するためには、
Ａ４のプリントに必要な画素数は約１１００×１５００
＝１６５万画素となる。この数値は、Ａ４フルサイズの
プリントであり、周囲に余白を１０ｍｍ程度とることを
考えると、画素数は約１４０万画素になる。これ以下の
画素数では、プリントのドットを明確に認識できるた
め、例えばエッジ像が直線でないとか、濃淡の変化が階
段状に見える等により、低い画質と認識する。

【００２７】データ量は少なくても、出力時に補間処理
を施してプリントすることにより画像の画素数を上げる
こともできるが、補間処理の際に画質劣化は避けられ
ず、エッジが鈍る等の現象を引き起こし、上記画素数を
直接出力した画像とは画質の点で大きな差がある。

【００２８】一般に、プリント等の画像の大きさと観察
距離には相関があり、小さい画像は近い距離で、大きな
画像は離れた距離で観察することが自然である。画像の
大きさと観察距離の関係が線型であれば、人が認識する
シャープネスは、画素の大きさではなく、前述の立体角
で決まる。したがって、上記では、必要な画素数の計算
をＡ４サイズの画像で行ったが、異なる画像の大きさで
求めても同じ結果を得る。

【００２９】しかし、Ａ４の画像を観察する距離と比
べ、Ａ６サイズ（１０５ｍｍ×１４９ｍｍ）等の極端に
小さな画像では、実際の観察距離は前述の関係より遠く
なることが多く、したがって、Ａ６等の画像サイズで
は、必要な画素数は上記の１６５万画素を下回ることに
なる。

【００３０】さて、撮像素子を用いて作成された画像
は、当然画像を構成する画素単位は一定であるため、そ
の単位以上の高い空間周波数を有する物体は表現できな
い。種々の空間周波数のパターン部分を有するテストチ
ャートを撮影した場合、最も線幅の狭い部分でその線幅
が画素ピッチに等しいパターンは、全て分解して観察さ
れのに対して、線幅が画素ピッチを下回りその最も狭い
線幅が画素ピッチの１／２となる画素単位以上の高い空
間周波数を有するパターンは、低周波の濃淡、いわゆる
モアレが観察されるだけである。

【００３１】前述の計算で求めた画素数の画像では、プ
リントの最小画素単位を人間が高いコントラストで明確
に認識できる。したがって、上述のテストチャートの観
察の結果を一般画像に拡張すると、ある空間周波数まで
シャープに見え、最小画素単位以下の空間周波数が急激
に分解しない画像になるため、画像のコントラストは高
くても、グラデーションが十分表現できているとは認識
できず、いわゆる荒れ感のある画像となる。

【００３２】一方、銀塩写真は、人間が感知する解像限
界以下の大きさの粒子から、人間がシャープに認識でき
る大きさの粒子まで様々な大きさの粒子により構成され
ており、そのことによって、画像のコントラストだけで
はなく、画像のグラデーションを表現することができ、
画像の高品位感に大きな影響を与えていると考えられ
る。したがって、上記の画素数の画像では、写真画質を
達成しているとは言い難い。

【００３３】グラデーション豊かな画像とするために
は、人間が感知する解像限界に近い空間周波数まで表現
しなければならない。我々はこの点に着目し、銀塩写真
と等価な画質と見なすために必要な画素単位の大きさを
検討した結果、画像を構成する最小画素単位は、前記の
立体角１．６７’に対応する画素単位では不十分であ
り、少なくとも立体角１．２５’（視力０．８）に対応
する画素単位が必要であることが分かった。もちろん、
解像限界である１’の分解能に対応する画素単位、ある
いは、さらに品位感を上げるために１’を下回る分解能
で分解できる画素単位まであればなお良い。

【００３４】以下、シャープな画像と認識できる立体角
に対応する画素単位の大きさを「良像限界画素単位」、
グラデーション感を与えるために必要とする立体角に対
応する画素単位の大きさを「解像可能画素単位」、解像
限界に対応する画素単位の大きさを「解像限界画素単
位」と呼ぶことにする。このとき、良像限界画素単位＞
解像可能画素単位＞解像限界画素単位である。

【００３５】この表現を用いると、前述の結果は、解像
限界を１’とするとき、解像可能画素単位は立体角１．
２５’に対応する画素単位以下が必要となる。この場
合、前述の方法と同様にして必要な画素数を求めると、
用紙フルサイズ（Ａ４）に対し約３００万画素、余白を
考えると約２５０万画素となる。

【００３６】この場合重要なことは、必ずしも解像可能
画素単位に対応する空間周波数まで高いコントラストで
ある必要はないことである。良像限界画素単位に対応す
る空間周波数までは高いコントラストを実現する必要が
あるが、それ以上の周波数は人間自身が高いコントラス
トで認識できないため、画像のコントラストが低下して
いくことは、画像のグラデーションを表現することに何
ら妨げにはならないのである。

【００３７】したがって、例えば解像可能画素単位と撮
像素子の各画素が１対１の対応がある場合には、光学系
の結像性能は、撮像素子の画素ピッチに対応する空間周
波数、いわゆるナイキスト周波数においては、高いコン
トラスト性能は必ずしも必要ないことになる。

【００３８】また、解像可能画素単位よりも撮像素子の
画素ピッチが小さい場合、すなわち画像に必要な画素数
以上の画素数を撮像素子が有している場合には、撮像素
子の画素ピッチではなく、解像可能画素単位に対応する
画素ピッチを考えれば十分である。

【００３９】さて、画素数の観点から、画素ピッチに視
点を転じる。本発明は、単に画素数を増やすことではな
く、画素数をどのように増やすかについて言及する。ま
た、そのときに光学系に求められる結像性能について考
察している。

【００４０】本発明では、画素数を増やす際に、撮像素
子の画素ピッチを縮小化することにより、画素数を増や
すことを提案している。そのことにより光学性能に及ぼ
す影響を示す。

【００４１】電子撮像系の場合、光学系の伝達関数で与
えられるコントラストの画像が得られる訳ではなく、撮
像素子の光電変換部、いわゆる撮像素子の開口部が有限
の面積を持ち、そこで光量が平均化されるため、開口部
の大きさに応じた伝達関数の劣化が起こる。

【００４２】簡単のため、開口部を矩形に近似すると、
フーリエ変換により伝達関数の劣化は，図８に示すよう
に、ｓｉｎｃ関数として表現できる。ただし、ピッチ間
隔に対する開口部の大きさの面積比、いわゆる開口効率
は７０％としている。

【００４３】例えば、ピッチ間隔７．５μｍ、素子サイ
ズ２／３インチ、約１００万画素の撮像素子を用い、図
９に示すＭＴＦ特性を有する光学系で撮影する場合、開
口での劣化を考慮した総合的なＭＴＦ特性は図１０のよ
うになる（図８のピッチ間隔７．５μｍの曲線の値と、
図９の曲線の値とを掛けたもの）。

【００４４】そこで、前述の特性を考慮し、画素ピッチ
を５μｍに縮小化することによって同じ素子サイズで約
２３０万画素を達成したとし、上記と同じ図９に示すＭ
ＴＦ特性を有する光学系を用いると、開口での劣化を考
慮した総合的なＭＴＦ特性は図１１のようになる（図８
のピッチ間隔５μｍの曲線の値と、図９の曲線の値とを
掛けたもの）。

【００４５】図１０、図１１から明らかに、画素ピッチ
を縮小化することによって、撮像素子開口部での伝達関
数の劣化が抑制され、総合的な光学性能はむしろ高くな
る。したがって、画素数の議論により適切な画素数を設
定し、その画素数を画素ピッチの縮小化で達成すること
により、光学系単体で保証すべきの性能は、撮像素子開
口部での伝達関数の劣化を前提として、劣化分を予め性
能を上げておくことによってカバーするという、従来の
手法により予測したレベルよりも落とすことが可能とな
る。

【００４６】撮像装置の光学系に求められる性能は、検
討の結果、前記の解像可能画素単位に対応する画素ピッ
チに対して、点像強度分布の９０％エンサークルドエネ
ルギーの直径が８倍程度の大きさまで許容できることを
見出した。これを越えると、コントラストの低下が著し
く、前記良像限界画素単位に対する空間周波数での解像
も得られなくなり、本発明の目的である高品位な画像が
得られなくなる。もちろん、光学性能が高いことを禁止
するものではない。

【００４７】一方、撮像装置の大きさや撮像素子のコス
トを考慮すると、画素ピッチは５μｍ程度以下であるこ
とが望ましい。これ以上の大きさの画素ピッチになる
と、前記画素数を確保したときの素子サイズが大きくな
り、撮像素子のコストダウンや装置の小型化を達成する
ことが困難になる。

【００４８】以上を条件式で表現すると、（１）１．５＜φ／Ｐ×√（２．５／Ｎ）＜８．０（２）０．００１５＜Ｐ＜０．００５５〔ｍｍ〕（３）２．４＜Ｎ＜２０〔１００万〕ただし、φは略画面中心における絞り開口値Ｆ５．６、
波長ｅ−線での、光学ローパスフィルターによるローパ
ス作用を除いた、光学系による点像強度分布（ｐｏｉｎ
ｔｓｐｒｅａｄｆｕｎｃｔｉｏｎｂｙａｍｐｌ
ｉｔｕｄｅ）の９０％エンサークルドエネルギーの直径
（入射光量に対し像面に到達する光量の９０％の光量が
含まれる像面における点像の円の直径）の大きさ（単位
はｍｍ）、Ｎは撮像素子の画素数（単位は１００万画
素）、Ｐは撮像素子の画素ピッチである（単位はｍ
ｍ）。

【００４９】上記式（１）は、前記解像可能画素単位か
ら算出した画素数を前記の２５０万画素としたときに満
足すべき式である。式（１）の下限の１．５を越える
と、光学系の光学性能が高くなるため、画像は高画質に
なるが、構成するレンズ枚数を増やさないと所望の性能
が得られなくなったり、あるいはレンズ系の大きさを大
きくして、各レンズで発生する収差量を抑制する等の対
策が必要になり、何れにしてもレンズ系の低コスト化、
小型化の点で不利である。あるいは、小さい製造公差を
設けなければならなくなり、レンズ系のコストを下げる
ことが困難になる。式（１）の上限の８を越えると、上
記のように、コントラストの低下が著しく、良像限界画
素単位に対する空間周波数での解像も得られなくなり、
高品位な画像が得られなくなる。

【００５０】式（２）の下限の０．００１５ｍｍを越え
て画素ピッチが小さくなると、条件（１）を満足する光
学レンズを製作することができなくなる。式（２）の上
限の０．００５５ｍｍを越えると、撮像装置を小型化で
きず、また、撮像素子が高コストなものとなってしま
う。

【００５１】式（３）の上限は、得られる画像データの
大きさを考慮して設けたものであり、上限の２０００万
を越えて大きくなると、１枚の画像情報を保持しておく
媒体に必要な記憶容量が極めて大きくなるため、小さい
記憶容量の媒体に記憶させるためには圧縮率を大きくす
る必要が生じ、画質の劣化が避けられず、本発明の目的
に反する。また、大容量の記憶媒体への書き込み装置を
撮像装置に内臓する場合には、装置全体が極めて大型化
し、やはり本発明の目的に反する。また、画像情報が大
きくなりすぎると、画像データの転送速度や媒体への書
き込み速度の低下が著しくなり、撮像装置としての機動
性に著しい障害となり好ましくない。式（３）の下限の
２４０万を越えると、解像可能画素単位を満たす画素数
を下回ることになり、グラデーションが豊かで高品位な
画像を与えることが困難になる。

【００５２】高品位な画像と、光学系に求められる性
能、装置のコストのバランスを考慮し、低コストな光学
系で十分高品位な画像を得るためには、下記条件を満足
すると、なお好ましい。（４）２．０＜φ／Ｐ×√（２．５／Ｎ）＜６．５画素ピッチに関しては、下記の条件を満足するとなお好
ましい。

【００５３】（５）０．００２＜Ｐ＜０．００５２〔ｍｍ〕本発明により画素ピッチの小さな撮像素子を用いる場
合、光学系の射出瞳位置は適度に遠くしておくことが求
められる。画素ピッチが小さくなると、光電変換領域の
面積が小さくなり、そこに入射する光量が少なくなるた
め、撮像装置としての感度が低下する問題がある。そこ
で、撮像面の上部にマイクロレンズを設けて、光電変換
面よりも広い領域の光を光電変換面に効率良く集光する
方法が採られる。そのため、撮像面に対して光が極端に
斜めに入射すると、光電変換面に入射する光量が減る現
象を起こし、画像が暗くなる問題が生じる。

【００５４】そこで、本発明の撮像装置に用いる光学系
は、使用する全てのフォーカス位置で以下の条件を満足
することが望ましい。（６）｜Ｈ／Ｌ｜＜０．２０ただし、Ｈは撮像素子の画像生成に関わる撮像面の対角
線長、Ｌは撮像面から測ったレンズ系の射出瞳位置まで
の距離である。レンズ系がズームレンズの場合には、Ｌ
は広角端から望遠端の間の最も撮像面側に近い射出瞳位
置である。

【００５５】特に汎用性の高い撮像装置を用いる場合
や、特に画素ピッチの小さな撮像装置を用いる場合に
は、撮像面に入射する光の角度がさらに小さくなること
が望ましい。したがって、（７）｜Ｈ／Ｌ｜＜０．１７を満たせばさらに望ましい。

【００５６】以下の条件を満足すれば、なお好ましい。

【００５７】（８）｜Ｈ／Ｌ｜＜０．１５一方、素子サイズに関して、以下の条件を満足すること
が望ましい。（９）３＜Ｈ＜１７〔ｍｍ〕式（９）の下限の３ｍｍを越えて撮像素子を小さくする
と、必要な画素数を得るための画素ピッチが小さくなり
すぎ、条件（２）を満足しない。また、上限値の１７ｍ
ｍを越えて大きくなると、撮像装置が大型化する、ある
いは撮像素子のコストを下げることが困難になり、本発
明の目的に反する。

【００５８】さらには、下記の条件を満足すると、なお
好ましい。（１０）４．２＜Ｈ＜１２〔ｍｍ〕この式（１０）の上下限は条件（５）の上下限に対応し
ている。

【００５９】また、解像可能画素単位に対応する撮像素
子上でのピッチと実際の撮像素子の各画素のピッチの大
きさは長さ比で３対１以下の対応関係とすることによ
り、必要最小限の画素数で、本発明の目的とする写真画
質に匹敵する高品位な画像を得ることができる。これ以
上比率を大きくすると、必要な画素数に比べ撮像素子が
保有する画素数が多くなりすぎ、画質の向上には有利と
なるものの、データ数の点で無駄が多い。

【００６０】眼の分解能は個人差があるため、より多く
のユーザが高品位な画像と認識するためには、良像限界
画素単位や、解像可能画素単位はさらに小さくすること
が望ましい。

【００６１】解像可能画素単位を立体角１．１１’（視
力０．９に対応する）程度に対応する大きさに設定する
と、六つ切りを越える大きさのプリントで、３５ｍｍ低
感度の銀塩フィルム（２４ｍｍ×３６ｍｍ）で撮影プリ
ントされた画像、若しくはブローニーサイズ（６０ｍｍ
×９０ｍｍ）で撮影された画像と比較しても、十分鑑賞
できる画像が得られる。このときの必要な画素数は用紙
フルサイズに対し約３７０万画素、余白をとる場合には
約３１０万画素となる。

【００６２】すなわち、（１１）３＜Ｎ＜２０〔１００万〕であればなお好ましい。

【００６３】解像可能画素単位を立体角１’（視力１．
０に対応する）程度に対応する大きさに設定すると、六
つ切りを越える大きさのプリントで、ブローニーサイズ
低感度の銀塩フィルムで撮影プリントされた画像、若し
くは４×５インチサイズのフィルムで撮影された画像と
比較しても、十分鑑賞できる画像が得られる。このとき
の必要な画素数は用紙フルサイズに対し約４６０万画
素、余白をとる場合には約３９０万画素となる。

【００６４】したがって、（１２）３．８＜Ｎ＜２０〔１００万〕であればなお好ましい。

【００６５】もちろん、分解能を越えた細かさの画素単
位があると、すでに各画素を認識することはなくても、
グラデーションは豊かに感じるため、高品位な画像には
より望ましい。

【００６６】以上の本発明の条件を満足することによ
り、ナイキスト周波数でのＭＴＦが低くなり、モアレの
濃度を抑制する効果が得られる。そのため、光学ローパ
スフィルターが不要となり、中間の空間周波数での光学
性能を劣化させる要因を省略することが可能となる。

【００６７】撮像素子の光電変換部の上にモザイク状に
色フィルターを配置することによりカラー画像を取り込
む、いわゆる単板式撮像装置の場合で、特に画素化に伴
う偽色を補正する場合には、各色フィルターの分光透過
率に応じた白色の、開口値Ｆ５．６での、光学ローパス
フィルターによるローパス作用を除いた、画面中心にお
ける点像強度分布の９０％エンサークルドエネルギーの
直径が、同じ色フィルター同士のピッチ間隔の２倍以上
であることが望ましい。このようにすれば、偽色抑制の
目的での光学的ローパスフィルターが必ずしも必要でな
くなり、さらに低コスト化に有利となる。

【００６８】単板カラー方式の撮像装置の場合、撮像素
子の各画素から得られる画像情報は、特定の色に関する
ものだけであるため、通常、周囲の画素からの情報を用
いて、各画素の位置におけるＲＧＢ若しくはＣＭＹの情
報を作り出す処理を行う。したがって、撮像素子の画素
数は、前述の必要な画素数と少なくとも同じか、若しく
はそれ以上であることが望ましい。より高品位な画像を
得るためには、撮像素子の画素数が、前述の必要な画素
数の１．５倍以上あれば、画素化の処理による画質の劣
化を考慮しても、高品位な画像を得ることができ、なお
好ましい。

【００６９】また、本発明の構成をとることにより、輪
郭強調処理を施さなくても、ある程度の高品位な画像を
得ることが可能となるため、輪郭強調処理が不要とな
り、処理回路の単純化に効果的である。あるいは、輪郭
強調処理レベルを低くすることによって、輪郭強調処理
による画像劣化を抑制できるので、大きなサイズへの画
像とした際にも高品位な画像を得ることが可能となる。

【００７０】本発明の構成による撮像装置により、写真
画質に匹敵する高品位な画像を得るためには、光束径を
縮小化することにより開口値を変える機構、いわゆる絞
り装置を含んだレンズ系とすることが望ましい。そのと
き、絞りによる被写界深度の変化を画像に反映させるた
めには、絞りはＦ４を越えて絞ることができることが望
ましい。

【００７１】さらには、Ｆ５．６を越えて絞ることがで
きる機構とすれば、浅い被写界深度から深い被写界深度
まで制御することができ、特に焦点距離の長いレンズ系
を用いたときに、被写界深度の深い画像を撮影すること
が可能となる。Ｆ８を越えて絞ることができる機構とす
れば、なお好ましい。

【００７２】

【実施例】以下、上記の本発明の撮像装置の実施例につ
いて説明する。本発明に基づく撮像装置全体の構成は、
図１に示すように、被写体の像を結像する光学系１０
と、その結像位置に配置されたＣＣＤ等からなる撮像素
子２０と、その撮像素子２０で得られた画像信号を処理
する信号処理回路３０と、その信号処理回路３０に接続
され、撮像された画像データを記憶する記憶装置４０
と、信号処理回路３０に接続され、撮像された画像を表
示する表示装置５０と、撮像された画像を出力するプリ
ンター等の出力装置６０とからなる。

【００７３】また、光学系１０は、図示しない複数の羽
絞りを可動させることにより光学系１０の光軸を中心と
して開口の大きさを可変に構成した開口絞り７０を有し
ている。この開口絞り７０の開口の大きさ及び撮像素子
２０による露光時間を共に制御する露出制御回路８０に
より、撮像素子２０が読み取るべき光量が適正に制御さ
れる。

【００７４】この開口の大きさ及び露光時間の組み合わ
せによる露出制御は、被写体の状態を測光して露出制御
回路８０により自動設定されるか、又は、使用者が任意
に開口値又は露光時間を設定でき、それに合わせて露光
時間又は開口値を自動制御するか、開口値及び露光時間
も使用者の好みにより設定できるように構成されてい
る。

【００７５】以下に、主として光学系１０に用いるレン
ズ系とその際に用いる撮像素子２０に関する実施例１、
２について説明する。

【００７６】実施例１この実施例は、光学系１０として単焦点レンズを使用す
る実施例であり、撮像素子２０としては、１／３インチ
(４．８ｍｍ×３．６ｍｍ )で、撮像面の対角線長Ｈが
６．０ｍｍ、画素数１８３０×１３７０＝２５０．７万
画素で、ピクセルサイズＰが２．６３μｍのものを用い
る。

【００７７】光学系１０を構成するレンズ系は、図２に
断面図を示すように、物体側から順に、物体側に凸面を
向けた正メニスカスレンズと、物体側に凸面を向けた負
メニスカスレンズと、絞りと、両凹レンズと両凸レンズ
の接合レンズと、両凸レンズとからなるレトロフォーカ
スタイプの単焦点レンズ系であり、レンズ系と像面Ｉの
間に撮像素子２０のカバーガラス、フィルター類を構成
する平行平面板が配置されている。このレンズ系の数値
データは後記するが、最も像面側の面に非球面を用いて
いる。この実施例の収差図を図３に示す。図中、ＳＡは
球面収差、ＡＳは非点収差、ＤＴは歪曲収差、ＣＣは倍
率色収差を示す（以下の収差図においても同じ）。ただ
し、図中、“ω”は半画角を表している。

【００７８】実施例１の式（１）に関する値は、φ／Ｐ
×√（２．５／Ｎ）＝４．５８であり、また、式（２）
に関する値Ｐ＝０．００２６３ｍｍ、式（３）に関する
値Ｎ＝２．５０７百万であり、また、式（６）に関する
値｜Ｈ／Ｌ｜＝０．１０９であり、何れもそれらの条件
式を満足しており、得られた画像を六つ切り程度以上に
拡大しても銀塩写真に匹敵する高品位な画像が得られ、
また、開口値Ｆ４を越えた絞り値によって被写界深度を
コントロールすることが可能で、小型低コストな撮像装
置を得ることができる。なお、本実施例は、絞り開放時
のＦナンバーからＦ１６近辺まで多段階に若しくは連続
して開口の大きさが調整可能に構成されている。

【００７９】実施例２この実施例は、光学系１０としてズームレンズを使用す
る実施例であり、撮像素子２０としては、２／３インチ
(８．８ｍｍ×６．６ｍｍ )で、撮像面の対角線長Ｈが
１１．０ｍｍ、画素数２０９５×１５７０＝３２８．９
万画素で、ピクセルサイズＰが４．２μｍのものを用い
る。

【００８０】光学系１０を構成するズームレンズは、図
４に広角端での断面図を示すように、物体側から順に、
第１レンズ群Ｇ１は、両凸レンズ１枚からなり、第２レ
ンズ群Ｇ２は、物体側に凸面を向けた負メニスカスレン
ズと、両凹レンズと、物体側に凸面を向けた正メニスカ
スレンズの３枚からなり、絞りＳが続き、絞りＳの後の
第３レンズ群Ｇ３は、両凸レンズと、両凹レンズの２枚
からなり、第４レンズ群Ｇ４は、両凸レンズ１枚からな
り、広角端から望遠端にかけて、第１レンズ群Ｇ１、第
２レンズ群Ｇ２、絞りＳは何れも物体側に凹の軌跡に沿
って移動し、第３レンズ群Ｇ３と第４レンズ群Ｇ４は相
互の間隔を広げながら物体側に移動する。レンズ系と像
面Ｉの間には撮像素子２０のカバーガラス、ローパスフ
ィルター以外のフィルター類を構成する平行平面板が配
置されており、この実施例の全てのレンズはプラスチッ
ク素材で構成されている。このレンズ系の数値データは
後記するが、第３レンズ群Ｇ３の最も物体側の面と第４
レンズ群Ｇ４の物体側の面に非球面が用いられている。
この実施例の広角端の収差図を図５に、標準状態の収差
図を図６に、望遠端の収差図を図７にそれぞれ示す。

【００８１】実施例２の式（１）に関する値は、φ／Ｐ
×√（２．５／Ｎ）＝２．５６〜２．７２〜３．２９１
（広角端〜標準状態〜望遠端）であり、また、式（２）
に関する値Ｐ＝０．００４２ｍｍ、式（３）に関する値
Ｎ＝３．２８９百万であり、また、式（６）に関する値
｜Ｈ／Ｌ｜＝０．１３７であり、全ての焦点距離におい
て何れもそれらの条件式を満足しており、得られた画像
を六つ切り程度以上に拡大しても銀塩写真に匹敵する高
品位な画像が得られ、また、開口値Ｆ４を越えた絞り値
によって被写界深度をコントロールすることが可能で、
小型低コストな撮像装置を得ることができる。なお、本
実施例は、絞り開放時のＦナンバーからＦ１６近辺まで
多段階に若しくは連続して開口の大きさが調整可能に構
成されている。

【００８２】以下に、上記各実施例の光学系１０の数値
データを示すが、記号は上記の外、ｆは全系焦点距離、
Ｆ_NOはＦナンバー、２ωは画角、ｆ_Bはバックフォカ
ス、ｒ₁、ｒ₂…は各レンズ面の曲率半径、ｄ₁、ｄ₂
…は各レンズ面間の間隔、ｎ_d1、ｎ_d2…は各レンズのｄ
線の屈折率、ν_d1、ν_d2…は各レンズのアッベ数であ
る。なお、非球面形状は、ｘを光の進行方向を正とした
光軸とし、ｙを光軸と直交する方向にとると、下記の式
にて表される。ｘ＝（ｙ²／ｒ）／［１＋｛１−Ｐ（ｙ／
ｒ）²｝^1/2］＋A₄ｙ⁴＋A₆ｙ⁶＋A₈ｙ⁸＋ A₁₀ｙ¹⁰た
だし、ｒは近軸曲率半径、Ｐは円錐係数、A₄、A₆、A₈、
A₁₀はそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数
である。

【００８３】実施例１ｆ＝ 5.12 Ｆ_NO＝ 2.8 ２ω＝ 63.37° ｆ_B＝ 3.9118 ｒ₁= 13.2689 ｄ₁= 2.3000 ｎ_d1 =1.84666 ν_d1 =23.78 ｒ₂= 53.6681 ｄ₂= 0.2500 ｒ₃= 5.0828 ｄ₃= 0.7500 ｎ_d2 =1.48749 ν_d2 =70.20 ｒ₄= 1.9499 ｄ₄= 1.7661 ｒ₅= ∞（絞り）ｄ₅= 1.1000 ｒ₆= -8.4429 ｄ₆= 0.8000 ｎ_d3 =1.84666 ν_d3 =23.78 ｒ₇= 9.5020 ｄ₇= 3.5000 ｎ_d4 =1.72916 ν_d4 =54.68 ｒ₈= -4.4294 ｄ₈= 0.1500 ｒ₉= 9.0885 ｄ₉= 3.6000 ｎ_d5 =1.60311 ν_d5 =60.68 ｒ₁₀= -18.2764（非球面）ｄ₁₀= 1.5000 ｒ₁₁= ∞ ｄ₁₁= 0.7500 ｎ_d6 =1.48749 ν_d6 =70.20 ｒ₁₂= ∞ 非球面係数第１０面Ｐ = 1.00000 A₄ = 0.73370×10^-3 A₆ =-0.65295×10^-5 A₈ = 0 A₁₀= 0 。

【００８４】実施例２ｆ＝ 9.04 〜 15.61 〜 26.93 Ｆ_NO＝ 2.8 〜 3.0 〜 4.2 ２ω＝ 60.55°〜 38.62°〜 22.73° ｆ_B＝ 14.9208〜 14.9208〜 14.9208 ｒ₁= 41.1141 ｄ₁= 4.7904 ｎ_d1 =1.49216 ν_d1 =57.50 ｒ₂= -664.4147 ｄ₂= （可変）ｒ₃= 32.3483 ｄ₃= 1.6000 ｎ_d2 =1.49216 ν_d2 =57.50 ｒ₄= 10.4358 ｄ₄= 8.7931 ｒ₅= -24.1092 ｄ₅= 2.0000 ｎ_d3 =1.49216 ν_d3 =57.50 ｒ₆= 20.2995 ｄ₆= 1.4357 ｒ₇= 17.0475 ｄ₇= 2.0000 ｎ_d4 =1.58423 ν_d4 =30.49 ｒ₈= 41.4263 ｄ₈= （可変）ｒ₉= ∞（絞り）ｄ₉= （可変）ｒ₁₀= 8.5729（非球面）ｄ₁₀= 5.4175 ｎ_d5 =1.49216 ν_d5 =57.50 ｒ₁₁= -16.6940 ｄ₁₁= 0.1500 ｒ₁₂= -29.1412 ｄ₁₂= 0.9800 ｎ_d6 =1.58423 ν_d6 =30.49 ｒ₁₃= 9.3322 ｄ₁₃= （可変）ｒ₁₄= 14.5420（非球面）ｄ₁₄= 3.5252 ｎ_d7 =1.49216 ν_d7 =57.50 ｒ₁₅= -22.7125 ｄ₁₅= （可変）ｒ₁₆= ∞ ｄ₁₆= 0.8000 ｎ_d8 =1.48749 ν_d8 =70.20 ｒ₁₇= ∞ 非球面係数第１０面Ｐ = 1.00000 A₄ =-0.17594×10^-3 A₆ =-0.15213×10^-5 A₈ =-0.17058×10^-7 A₁₀=-0.15577×10^-9 第１４面Ｐ = 1.00000 A₄ =-0.10902×10^-3 A₆ = 0.57701×10^-7 A₈ =-0.10359×10^-9 A₁₀= 0.60403×10^-10 。

【００８５】なお、本発明の説明はデジタルカメラを中
心に説明したが、他の撮像装置（例えばデジタルビデオ
カメラ）を用いて静止画像を観察する場合も同様であ
る。

【００８６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によると、撮像装置の光学系の結像性能、撮像素子の画
素数、画素ピッチが最適化されているので、得られた画
像を六つ切り程度以上に拡大しても銀塩写真に匹敵する
高品位な画像が得られ、また、開口値Ｆ４を越えた絞り
値によって被写界深度をコントロールすることが可能
で、小型低コストな撮像装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく撮像装置全体の構成を示す図で
ある。

【図２】本発明の実施例１における光学系を構成するレ
ンズ系の断面図である。

【図３】実施例１のレンズ系の収差図である。

【図４】本発明の実施例２における光学系を構成するズ
ームレンズの広角端での断面図である。

【図５】実施例２のズームレンズの広角端の収差図であ
る。

【図６】実施例２のズームレンズの標準状態の収差図で
ある。

【図７】実施例２のズームレンズの望遠端の収差図であ
る。

【図８】電子撮像系の伝達関数を示す図である。

【図９】光学系のＭＴＦ特性を示す図である。

【図１０】ピッチ間隔７．５μｍの場合の総合的なＭＴ
Ｆ特性を示す図である。

【図１１】ピッチ間隔５μｍの場合の総合的なＭＴＦ特
性を示す図である。

【符号の説明】

１０…光学系２０…撮像素子３０…信号処理回路４０…記憶装置５０…表示装置６０…出力装置７０…開口絞り８０…露出制御回路Ｇ１…第１レンズ群Ｇ２…第２レンズ群Ｇ３…第３レンズ群Ｇ４…第４レンズ群Ｓ …絞りＩ …像面

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光学系による物体の像を電子撮像素子上
に結像することによって、物体の画像情報を得る撮像装
置であって、前記光学系には光束径を縮小化することに
よりＦ４以上の開口値を得ることが可能な構造物を有し
ており、かつ、下記の条件を満足することを特徴とする
撮像装置。（１）１．５＜φ／Ｐ×√（２．５／Ｎ）＜８．０（２）０．００１５＜Ｐ＜０．００５５〔ｍｍ〕（３）２．４＜Ｎ＜２０〔１００万〕ただし、φは略画面中心における絞り開口値Ｆ５．６、
波長ｅ−線での、光学ローパスフィルターによるローパ
ス作用を除いた、光学系による点像強度分布の９０％エ
ンサークルドエネルギーの直径の大きさ（単位はｍ
ｍ）、Ｎは撮像素子の画素数（単位は１００万）、Ｐは
撮像素子の画素ピッチ（単位はｍｍ）である。
【請求項２】請求項１において、使用する全てのフォ
ーカス位置で下記の条件を満足することを特徴とする撮
像装置。（６）｜Ｈ／Ｌ｜＜０．２０ただし、Ｈは撮像素子の画像生成に関わる撮像面の対角
線長、Ｌは撮像面から測った光学系の射出瞳位置までの
距離であり、光学系がズームレンズの場合には、Ｌは広
角端から望遠端の間の最も撮像面側に近い射出瞳位置で
ある。
【請求項３】請求項１又は２において、下記の条件を
満足することを特徴とする撮像装置。（４）２．０＜φ／Ｐ×√（２．５／Ｎ）＜６．５
【請求項４】請求項１から３の何れか１項において、
下記の条件を満足することを特徴とする撮像装置。（９）３＜Ｈ＜１７〔ｍｍ〕ただし、Ｈは撮像素子の画像生成に関わる撮像面の対角
線長である。
【請求項５】請求項４において、下記の条件を満足す
ることを特徴とする撮像装置。（１０）４．２＜Ｈ＜１２〔ｍｍ〕
【請求項６】光学ローパスフィルターを使用しないこ
とを特徴とする請求項１から５の何れか１項記記載の撮
像装置。
【請求項７】前記撮像装置がカラー撮像装置であるこ
とを特徴とする請求項１から６の何れか１項記記載の撮
像装置。