JP3244331B2 - 超解像撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、光学的に画像
をずらすことによって、高解像度撮像が可能な超解像撮
像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、空間周波数の分解能力を向上させ
るために、撮像素子幅を微細に構成された撮像素子が適
用されている。現在では、かかる撮像素子幅は、最小で
５μｍ程度まで微細に構成されている（以下、従来例１
と称する）。

【０００３】また、光学的に画像をずらすことによって
固体撮像素子の解像度を高める方法も知られており、か
かる方法は、例えば、特開昭６０−１８９５８号公報及
び特開昭６１−２４７１６８号公報に開示された装置に
適用されている。

【０００４】特開昭６０−１８９５８号公報に開示され
た装置は、ピエゾ素子によって固体撮像素子を半画素ピ
ッチ分振動させて解像度を２倍に向上させるように構成
されている（以下、従来例２と称する）。

【０００５】特開昭６１−２４７１６８号公報に開示さ
れた装置には、偏光特性を制御可能な電気光学素子と複
屈折手段とが組み合わされており、電気光学素子の偏光
特性を複屈折手段の複屈折特性に対応して変化させるこ
とによって解像度を向上させるように構成されている
（以下、従来例３と称する）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来例
１において、固体撮像素子幅の微細化には、ある程度限
界があり、極限的に微小な素子を製造するためには、高
い半導体製造技術が必要となり、それに伴い製造コスト
も莫大なものとなる。

【０００７】また、従来例２の装置において、ピエゾ振
動サイクルには一定の制限があると共に、その変化量も
周囲の温度に対して非常に敏感であるため、高精度に画
像をずらすことは困難である。

【０００８】更に、従来例３において、装置に適用され
る構成部品の点数が多く、また、組み立て精度も要求さ
れて、製造コストが上昇してしまう。また、素子全体の
大きさ及びその厚みが大きくなり、画像のずらし量に対
して異常光の光路長が変化してしまうため、他の光学系
等を組み込む場合に焦点位置が変化してしまう。

【０００９】本発明は、このような弊害を除去するため
になされ、その目的は、簡単な構成によって極めて高い
解像能力を得ることが可能な低価格な超解像撮像装置を
提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の超解像撮像装置は、入射光の光軸に
対して４５度傾斜した第１の結晶軸を有する第１の水晶
板と、この第１の水晶板に対して重合し且つ前記第１の
結晶軸に直交した第２の結晶軸を有する第２の水晶板
と、前記第１及び第２の水晶板によって所定の光成分に
分離された光を前記所定の光成分毎に交互に透過可能に
構成された液晶偏光フィルタと、この液晶偏向フィルタ
を透過した光の光学的特性を検出可能に構成された固体
撮像素子と、前記第１の水晶板及び前記第２の水晶板を
前記固体撮像素子面と平行な方向にステップ走査させる
水晶板走査手段とを有し、前記第１又は第２の水晶板の
うち少なくとも一方は、前記水晶板走査手段が走査する
方向において複数の厚みを有している。

【００１１】

【作用】第１及び第２の水晶板によって所定の光成分に
分離された光は、液晶偏光フィルタによって、所定の光
成分毎に交互に固体撮像素子に照射され、その光学特性
が検出される。光学特性は、水晶板走査手段による第１
及び第２の水晶板のステップ走査によって、第１又は第
２の水晶板が有する複数の厚みのその数だけ異なる光成
分毎に得られる。

【００１２】

【実施例】以下、各実施例の説明において、まずその原
理について説明した上で、かかる原理が適用された実施
例について順次説明を加える。図１及び図２には、本発
明の第１の原理の構成が概略的に示されている。

【００１３】図１に示すように、本原理は、入射光
（Ｒ）を常光２と異常光４に分離する平行水晶板６と、
この平行水晶板６を透過した光を所定の光成分毎に交互
に透過可能に制御された液晶偏光フィルタ８と、この液
晶偏光フィルタ８を透過した光の光学的特性を検出可能
に構成された固体撮像素子１０とを備えている。液晶偏
光フィルタ８は、印加電圧を制御することによって、常
光成分及び異常光成分を交互に透過させるように構成さ
れている。

【００１４】平行水晶板６は、入射光（Ｒ）の光軸に対
して４５度傾斜した第１の結晶軸（Ｐ）を有する第１の
水晶板１２と、この第１の水晶板１２に重合し且つ第１
の結晶軸（Ｐ）に直交する第２の結晶軸（Ｓ）を有する
第２の水晶板１４とを備えている。なお、第１の水晶板
１２の厚みを（ｄｐ１）、第２の水晶板１４の厚みを
（ｄｐ２）とし、常光２の光軸に対する異常光４の光軸
の成す角度をθとする。

【００１５】図２に示すように、常光２と異常光４との
間のシフト量（ｄｘ）は、 ｄｘ＝（ｄｐ１−ｄｐ２）ｔａｎθ ……（１） という関係にある。

【００１６】従って、シフト量（ｄｘ）は、第１の水晶
板１２の厚み（ｄｐ１）と、第２の水晶板１４の厚み
（ｄｐ２）と、常光２と異常光４との成す角度（θ）と
によって規定されることが分かる。

【００１７】即ち、これら第１の水晶板１２の厚み（ｄ
ｐ１）と第２の水晶板１４の厚み（ｄｐ２）の比を変化
させることによって、シフト量（ｄｘ）を変化させるこ
とができる。このような特性を踏まえて、本原理の作用
を説明する。

【００１８】図１に示すように、いわゆるナイキスト限
界を越えた周波数像（信号）１６は、上述したような特
性を有する平行水晶板６に入射して、常光２と、この常
光２に対して角度（θ）を成す異常光４とに分離され
る。常光２と異常光４とは、互いに（１）式の関係に規
定された状態で、平行水晶板６を透過して、液晶偏光フ
ィルタ８に照射される。この液晶偏光フィルタ８を介し
て常光２及び異常光４は、交互に固体撮像素子１０に照
射される。固体撮像素子１０では、常光２に基づく実際
の像（入力像）と、上記（１）式の関係を有するシフト
像１８とが交互に検出される。このように、入力像に対
するシフト像１８が検出可能となることによって、サン
プリング周期２０の増加と同様の効果を得ることができ
る。

【００１９】次に、このような原理が適用された本発明
の第１の実施例に係る超解像撮像装置について、図３及
び図４を参照して説明する。なお、本実施例の説明に際
し、第１の原理と同一の構成には、同一符号（図１参
照）を付してその説明を省略する。

【００２０】図３及び図４に示すように、本実施例の超
解像撮像装置には、上述した固体撮像素子１０を複数個
備えた固体撮像素子アレイ即ちＣＣＤ２２が設けられて
いる。なお、図４には、ＣＣＤ２２を構成する個々の固
体撮像素子１０に対する液晶偏光フィルタ８及び平行水
晶板６の配置状態が拡大して示されている。

【００２１】ＣＣＤ２２は、Ａ／Ｄ変換回路２４を介し
てフレームメモリ回路２６に接続されており、このフレ
ームメモリ回路２６にサンプリングされたデータを出力
系２８に伝送可能に構成されている。また、液晶フィル
タ８には、印加電圧をＯＮ／ＯＦＦ制御する制御回路３
０が接続されている。

【００２２】このような構成を有する本実施例の超解像
撮像装置において、平行水晶板６に入射した入射光
（Ｒ）は、この平行水晶板６を介して常光及び異常光
（図１参照）に分離された後、上記（１）式の関係を満
足した状態で、液晶偏光フィルタ８に照射される。この
とき、制御回路３０を介して液晶偏光フィルタ８に所定
の電圧を印加することによって、ＣＣＤ２２には、常光
と異常光が交互に照射される。

【００２３】ＣＣＤ２２に交互に照射された常光及び異
常光は、Ａ／Ｄ変換回路２４を介して夫々対応する電気
信号に変換された後、フレームメモリ回路２６に交互に
入力される。フレームメモリ回路２６において、夫々の
電気信号は、互いに重ね合わされた後、出力系２８に伝
送される。

【００２４】このように本実施例の超解像撮像装置で
は、常光の像と、例えばナイキスト限界の半周期分シフ
トされたシフト像とを検出でき、サンプリング周期を２
倍に拡大させることができるため、検出可能な空間周波
数を２倍に向上させることができる。

【００２５】更に、本実施例によれば、シフト量を変化
させる際に、第１の水晶板１２の厚み（ｄｐ１）と第２
の水晶板１４の厚み（ｄｐ２）の比を変化させた場合で
も、異常光の光路長は変化しない。この結果、他の光学
系を組み込んだ場合でも焦点位置が変化することはな
い。

【００２６】図５及び図６には、本発明の第２の原理の
構成が概略的に示されている。なお、本原理の説明に際
し、第１の原理と同様の機能を有する構成には同一符号
を付してその説明を省略する。本原理は、図１に示され
た平行水晶板６の代わりに、図５に示すような水晶板３
２を適用して構成されている。

【００２７】この水晶板３２は、入射光（Ｒ）の光軸に
対して４５度傾斜した第１の結晶軸（Ｐ）を有する第１
の水晶板３４と、この第１の水晶板３４に重合し且つ第
１の結晶軸（Ｐ）に直交する第２の結晶軸（Ｓ）を有す
る第２の水晶板３６とを備えている。

【００２８】第１の水晶板３４は、第２の水晶板３６と
対面する側の面をステップ状に変化させ、第１の水晶板
３４の厚み（ｄｐ１）を３段階以上に変化させて構成さ
れており、この第１の水晶板３４に重合される第２の水
晶板３６は、上記ステップ状の面に対して隣接重合でき
るように、その厚み（ｄｐ２）を３段階以上のステップ
状に変化させて構成されている。

【００２９】このように第１の水晶板３４の厚み（ｄｐ
１）と第２の水晶板３６の厚み（ｄｐ２）を３段階以上
に変化させたことによって、入射光（Ｒ）の入射位置に
対応して、シフト量（ｄｘ）は、各段階毎に異なったも
のとなっている。なお、各段階に対応するシフト量（ｄ
ｘ）は、上記（１）式の関係を満足している。従って、
撮像の際には、かかる水晶板３２を段階の数だけ水平に
ステップ走査する。図６には、このような構成を有する
水晶板３２を配置して構成された本原理の構成が概略的
に示されている。以下、本原理の作用を説明する。

【００３０】図６に示すように、いわゆるナイキスト限
界を越えた周波数像（信号）１６は、上述したような特
性を有する水晶板３２に入射して、常光２と、異常光４
とに分離される。

【００３１】この水晶板３２は、第１及び第２の水晶板
３４，３６の厚みが（ｄｐ１，ｄｐ２）３段階以上に変
化しているため、水晶板３２によって分離された常光２
と異常光４との間のシフト量（ｄｘ）は、各段階毎に異
なったものとなる。従って、水晶板３２を図中矢印Ｘ方
向にステップ走査することによって、シフト量（ｄｘ）
が制御される。このような水晶板３２を透過した常光２
と異常光４は、液晶偏光フィルタ８を介して交互に固体
撮像素子１０に照射される。固体撮像素子１０では、常
光２に基づく入力像と、微細にシフトされたシフト像１
８とが交互に検出される。

【００３２】このように、入力像に対するシフト像１８
が検出可能となることによって、サンプリング周期２０
が、その段階数だけ増加したのと同様の効果を得ること
ができる。

【００３３】次に、このような原理が適用された本発明
の第２の実施例に係る超解像撮像装置について、図７及
び図８を参照して説明する。なお、本実施例の説明に際
し、第２の原理と同一の構成には、同一符号（図６参
照）を付してその説明を省略する。

【００３４】図７及び図８に示すように、本実施例の超
解像撮像装置には、上述した固体撮像素子１０を複数個
備えたＣＣＤ２２が設けられている。なお、図４には、
ＣＣＤ２２を構成する個々の固体撮像素子１０に対する
液晶偏光フィルタ８及び水晶板３２の配置状態が拡大し
て示されている。

【００３５】本実施例に適用された水晶板３２には、ス
テップモータ３８が接続されており、このステップモー
タ３８によって、水晶板３２は、図中矢印Ｘ方向に一素
子分ずつシフト可能に構成されている。

【００３６】なお、ＣＣＤ２２には、Ａ／Ｄ変換回路２
４、フレームメモリ回路２６を介して出力系２８が接続
されている。また、液晶フィルタ８には、印加電圧をＯ
Ｎ／ＯＦＦ制御する制御回路３０が接続されている。

【００３７】このような構成を有する本実施例の超解像
撮像装置において、水晶板３２に入射した入射光（Ｒ）
は、この水晶板３２を介して常光及び異常光（図５及び
図６参照）に分離された後、各段階においてシフト量
（ｄｘ）が変化した状態で、液晶偏光フィルタ８に照射
される。このとき、制御回路３０を介して液晶偏光フィ
ルタ８に所定の電圧を印加することによって、ＣＣＤ２
２には、常光と異常光が交互に照射される。ＣＣＤ２２
に交互に照射された常光及び異常光は、Ａ／Ｄ変換回路
２４を介してフレームメモリ回路２６に入力される。

【００３８】次に、水晶板３２をステップモータ３８に
よって、矢印Ｘ方向に１素子分シフトさせて、異常光４
のシフト量を微小に変化させる。このように変化された
異常光４は、上記同様に、液晶偏光フィルタ８を介して
ＣＣＤ２２に照射された後、Ａ／Ｄ変換回路２４を介し
てフレームメモリ回路２６に入力される。このような動
作を水晶板３２の段階数（ステップ数）の終了まで連続
して、サンプリングされたデータを一括して出力系２８
に伝送する。

【００３９】このように本実施例の超解像撮像装置で
は、第１及び第２の水晶板３４，３６の厚み（ｄｐ１，
ｄｐ２）の変化に対応するように、水晶板３２を矢印Ｘ
方向に走査することによって、ＣＣＤ２２には、微細に
シフトされたシフト像１８が検出される。

【００４０】これは、入力像に対してサンプリング周期
が、そのステップ数分だけ増加したのと同様になる。つ
まり、ナイキスト限界の数倍の分解能力を達成すること
が可能となる。更に、本実施例も同様にシフト量を変化
させても、異常光の光路長は変化せず、他の光学系を途
中に組み込んだ場合でも焦点位置は変化しない。

【００４１】図９には、本発明の第３の原理の構成が概
略的に示されている。なお、本原理の説明に際し、上述
した原理と同様の機能を有する構成には同一符号を付し
てその説明を省略する。本原理は、図１に示された平行
水晶板６の代わりに、図９に示すような水晶板４０を適
用して構成されている。

【００４２】この水晶板４０は、入射光（Ｒ）の光軸に
対して４５度傾斜した第１の結晶軸（Ｐ）を有する第１
の水晶板４２と、この第１の水晶板４２に重合し且つ第
１の結晶軸（Ｐ）に直交する第２の結晶軸（Ｓ）を有す
る第２の水晶板４４とを備えている。第１及び第２の水
晶板４２，４４は、夫々、断面くさび形に形成されてお
り、夫々の傾斜面を対面させて重合されている。

【００４３】具体的には、第１の水晶板４２の厚み（ｄ
ｐ１）は、一端から他端に向かうに従ってなだらかに縮
減されており、また、第２の水晶板４４の厚み（ｄｐ
２）は、一端から他端に向かうに従ってなだらかに拡増
されている。そして、第１の水晶板４２は、その厚み
（ｄｐ１）の大きい部分が第２の水晶板４４の厚み（ｄ
ｐ２）の小さい部分に対面させ、且つ、その厚み（ｄｐ
１）の小さい部分が第２の水晶板４４の厚み（ｄｐ２）
の大きい部分に対面させて重合されている。

【００４４】即ち、本原理において、水晶板４０によっ
て分離された異常光４は、図９中向って右側に向うに従
って、常光２に対するシフト量（ｄｘ）がリニアに大き
くなるように規定されている。なお、固体撮像素子１０
には、一定間隔で配置された複数の検出点ｘ１〜ｘｎ
（ｎ；整数）が規定されている。このような特性を踏ま
えて、本原理の作用を説明する。

【００４５】いま、単一周波数の像４６を水晶板４０に
入射させた場合、この水晶板４０からは、入射位置に対
応して異常光４のシフト量（ｄｘ）がリニアに変化した
像が出射される。この水晶板４０から出射された像は、
液晶偏光フィルタ８を介して、その常光２及び異常光４
が交互に固体撮像素子１０に照射される。即ち、固定札
像素子１０には、単一周波数の像４６に対してシフト量
（ｄｘ）がリニアに積分された異常光４の像が入射され
る。

【００４６】ここで、検出点ｘｎにおける異常光４のシ
フト量（ｄｘ）は、上記（１）式即ち、ｄｘ＝（ｄｐ１
−ｄｐ２）ｔａｎθによって算出される。この結果、検
出点ｘｎでの“ｄｐ１−ｄｐ２”は、水晶板４０と固体
撮像素子１０の設置状態によって規定することができ
る。

【００４７】従って、固体撮像素子１０の設置状態と共
に、検出点ｘｎに対応する“ｄｐ１−ｄｐ２”の値を確
認することによって、上記（１）式から検出点ｘｎでの
異常光４のシフト量（ｄｘ）が算出されることになる。

【００４８】次に、このような原理が適用された本発明
の第３の実施例に係る超解像撮像装置について、図１０
及び図１１を参照して説明する。なお、本実施例の説明
に際し、上述した原理と同一の構成には、同一符号（図
１参照）を付してその説明を省略する。

【００４９】図１０及び図１１に示すように、本実施例
の超解像撮像装置には、上述した固体撮像素子１０を複
数個備えたＣＣＤ２２が設けられている。なお、図１１
には、ＣＣＤ２２を構成する個々の固体撮像素子１０に
対する液晶偏光フィルタ８及び水晶板４０の配置状態が
拡大して示されている。

【００５０】ＣＣＤ２２は、Ａ／Ｄ変換回路２４を介し
てフレームメモリ回路２６に接続されており、このフレ
ームメモリ回路２６にサンプリングされたデータは、コ
ンピュータ４８を介して出力系２８に伝送可能に構成さ
れている。なお、液晶フィルタ８には、制御回路３０が
接続されている。

【００５１】このような構成を有する本実施例の超解像
撮像装置において、水晶板４０に入射した入射光（Ｒ）
は、この水晶板４０を介して常光及び異常光（図９参
照）に分離された後、上記（１）式の関係を満足した状
態で、液晶偏光フィルタ８に照射される。このとき、制
御回路３０を介して液晶偏光フィルタ８に所定の電圧を
印加することによって、ＣＣＤ２２には、常光と異常光
が交互に照射される。ＣＣＤ２２に交互に照射された常
光及び異常光は、Ａ／Ｄ変換回路２４及びフレームメモ
リ回路２６を介してコンピュータ４８に入力される。

【００５２】コンピュータ４８は、フレームメモリ回路
２６から出力される信号に対して所定の演算を施して、
もとの単一周波数の像に対してリニアに積分されたシフ
ト量（ｄｘ）を検出し、その検出結果を出力系２８に出
力する。このときコンピュータ４８によって、ナイキス
ト限界を越えた空間周波数像が検出される。

【００５３】このように本実施例の超解像撮像装置で
は、もとの単一周波数の像に対してリニアに積分された
シフト量（ｄｘ）を検出することによって、サンプリン
グ点を増加させた場合に相当する効果を得ることができ
る。この結果、検出可能な空間周波数を向上させること
ができる。更に、本実施例によれば、シフト量を変化し
た場合でも、異常光の光路長は変化ず、他の光学系を組
み込んだ場合でも焦点位置が変化することはない。

【００５４】

【発明の効果】本発明の超解像撮像装置は、第１及び第
２の水晶板によって所定の光成分に分離した光を液晶偏
光フィルタによって所定の光成分毎に交互に固体撮像素
子に照射して、その光学的特性を検出するように構成さ
れている。従って、簡単な構成によって極めて高い解像
能力を得ることが可能な低価格な超解像撮像装置を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の原理の構成を概略的に示す図。

【図２】図１に示す原理に適用された平行水晶板の構成
を示す図。

【図３】図１及び図２に示す原理が適用された本発明の
第１の実施例に係る超解像撮像装置の構成を概略的に示
す図。

【図４】図３の装置を構成する個々の固体撮像素子に対
する液晶偏光フィルタ及び平行水晶板の配置状態を拡大
して示す斜視図。

【図５】本発明の第２の原理に適用された水晶板の構成
を概略的に示す図。

【図６】図５に示す水晶板が適用された本原理の構成を
概略的に示す図。

【図７】図５及び図６に示す原理が適用された本発明の
第２の実施例に係る超解像撮像装置の構成を概略的に示
す図。

【図８】図７の装置を構成する個々の固体撮像素子に対
する液晶偏光フィルタ及び水晶板の配置状態を拡大して
示す斜視図。

【図９】本発明の第３の原理の構成を概略的に示す図。

【図１０】図９に示す原理が適用された本発明の第３の
実施例に係る超解像撮像装置の構成を概略的に示す図。

【図１１】図１０の装置を構成する個々の固体撮像素子
に対する液晶偏光フィルタ及び水晶板の配置状態を拡大
して示す斜視図。

【符号の説明】

２…常光、４…異常光、６…平行水晶板、８…液晶偏光
フィルタ、１０…固体撮像素子、１２…第１の水晶板、
１４…第２の水晶板、Ｒ…入射光、Ｐ…第１の結晶軸、
Ｓ…第２の結晶軸。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 27/14 H04N 5/335

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射光の光軸に対して４５度傾斜した第
   １の結晶軸を有する第１の水晶板と、 この第１の水晶板に対して重合し且つ前記第１の結晶軸
   に直交した第２の結晶軸を有する第２の水晶板と、 前記第１及び第２の水晶板によって所定の光成分に分離
   された光を前記所定の光成分毎に交互に透過可能に構成
   された液晶偏光フィルタと、 この液晶偏向フィルタを透過した光の光学的特性を検出
   可能に構成された固体撮像素子と、 前記第１の水晶板及び前記第２の水晶板を前記固体撮像
   素子面と平行な方向にステップ走査させる水晶板走査手
   段とを有し、 前記第１又は第２の水晶板のうち少なくとも一方は、前
   記水晶板走査手段が走査する方向において複数の厚みを
   有するように構成されていることを特徴とする超解像撮
   像装置。