JP3391874B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は撮像装置に関し、特に複
数の画素を垂直方向と水平方向に所定の間隔で配置した
撮像素子を複数個用いて所望の解像度の画像情報が容易
に得られるようにした、例えば小型ビデオカメラやスチ
ルビデオカメラ等に好適な撮像装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、小型ビデオカメラやスチルビデオ
カメラ等の撮像装置に用いられている撮像素子としての
固体エリアセンサ（画素を２次元的に配列したイメージ
センサ）は、高画素化、低価格化、そして小型化が可能
となり、多くの撮像装置に用いられている。

【０００３】現在実用化されている撮像素子の画素数は
４０万画素程度であり、これはＮＴＳＣ等の現行規格の
テレビ用程度の解像度を有している。しかしながら、例
えばこれで入力した画像を大画面用の画像やハードコピ
ーそしてコンピュータグラフィック等に表示した場合、
画素の粗さが目立ってきて、高精細な画像として出力す
ることは難かしい。

【０００４】又、最近ではＨＤＴＶ用の２００万画素の
固体エリアセンサも開発されつつある。しかしながら、
この画素数でも超大画面表示用の入力として用いるには
解像度が十分でない。より高精細（高解像度）な解像度
の画像を得るには現状のエリアセンサの画素数は必ずし
も十分でない。

【０００５】従来より撮像素子を用いて高精細な画像を
得る方法として、撮像素子の画素密度を高め、画素数を
増やすことによって高解像度の画像を得る方法がある。

【０００６】一般に画素密度を高める為に画素面積を縮
小すると出力信号が小さくなりＳ／Ｎ比が劣化してく
る。このＳ／Ｎ比の低下を考慮した場合、２００万の画
素数はもはや限界に近く、現状ではさらに画素数を増加
させ解像度を向上させることは大変難しい。

【０００７】そこで従来より画素数を増やすことなく高
精細な画像を得る方法が種々と提案されている。例えば
特公昭５０−１３０５２号公報や、特公昭５９−１８９
０９号公報や、そして特公昭５９−４３０３５号公報等
では画素ズラシによる方法が提案されている。

【０００８】この画素ズラシによる方法では撮像光学系
の像面側に被写体像に基づく光束を分割する光学素子、
例えばダイクロイックプリズムやハーフミラー等を配置
し、該光学素子で分割された光束を画素の半ピッチある
いはそれ以下の量だけ位置ズラシして配置した複数の固
体エリアセンサで撮像することにより、高解像度の画像
を得ている。

【０００９】又、特開平４−２８６４８０号公報では結
像レンズの後方に１つ以上の光路分割手段を配置し、該
光路分割手段で被写体像を複数に分割し、分割した複数
の被写体像を各々結像面位置に配置した複数の固体エリ
アセンサ面上にそれぞれ結像させ、互いに他の結像位置
でのセンサで撮像できない領域を補間しあうようにして
全被写体像を撮像して、これにより高解像度の画像を得
ている。

【００１０】又、特開平１−１８４４１０号公報では撮
影光学系の光路中に楔形の偏向部材を配置し、該偏向部
材の回転によって生ずる画像の移動を周期的に撮像素子
で撮像し、これにより画素数以上の画像情報を得てい
る。

【００１１】又、特開昭６０−２５０７８９号公報で
は、撮影光学系で形成した被写体像を２次結像光学系で
複数の画像に分離し、該分離した複数の画像を各々複数
の撮像素子面上に結像させ、該複数の撮像素子からの撮
像信号を合成して出力することにより高解像度の画像を
得ている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】高精細な画像を得る方
法として画素ズラシによる方法は、素子（画素）数の割
には解像度があまり上がらないという問題点があった。

【００１３】又、特開平４−２８６４８０号公報で提案
されている方法は、光路の分割数を無数に増やすことに
より高解像度の画像を得ることができるが、その為には
撮影レンズのバックフォーカスを極めて長くしなければ
ならず、装置全体が大型化してしまうという問題点があ
った。その為実際には２板式、又は３Ｐプリズム等を用
いても３板式程度が限度であった。

【００１４】又、特開平１−１８４４１０号公報で提案
されている方法は、１フレームの画像を複数回の撮像に
よって合成するため、動画には適さず、又静止画像であ
っても出力画像を得る為には時間がかかりすぎるという
問題点があった。

【００１５】又、特開昭６０−２５０７８９号公報で提
案されている方法は、光束分割手段としての光束分離鏡
を１次結像面から微小にズラして配置することにより画
像の境界部分の画素欠落を防止しているが、実際には該
光束分離鏡の厚みや軸外光束の瞳等の問題があって構成
上大変難しいという問題点があった。又画素数の増加も
高々２倍ないし３倍程度であって高解像度の画像を得る
には難しかった。

【００１６】本発明は、複数の画素を垂直方向と水平方
向に所定の間隔で配置した撮像素子を複数個用いて各撮
像素子に被写体像を形成する際の撮影系を構成する各光
学要素を適切に設定することにより、高精細な画像情報
が容易に得られるようにした撮像装置の提供を目的とす
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の撮像装
置は、複数の画素を垂直方向と水平方向に所定の間隔で
配列した撮像素子を撮像系の像面側に複数配置し、該撮
影系による物体像を光学特性を変化させる機能を有した
光学特性変更手段を介して、該複数の撮像素子面に形成
する撮像装置であって、該複数の撮像素子からの出力信
号より合成画像を生成する合成画像生成手段と、該合成
画像生成手段を用いて合成画像を生成する第１モードと
該複数の撮像素子のうちの１つの撮像素子の出力信号の
みを用いて画像の合成を行わない第２モードとを切り替
える切替手段を有し、該切替手段を用いて画像の生成方
法を切り替えて所望の解像力の画像を得るようにしたこ
とを特徴としている。

【００１８】請求項２の発明は請求項１の発明におい
て、前記複数の撮像素子は、垂直方向又は／及び水平方
向に画素のピッチよりも小さなピッチだけずらして配置
されており、前記合成画像生成手段は、該複数の撮像素
子から得られる出力信号を合成して画像を得ていること
を特徴としている。

【００１９】

【実施例】図１は本発明の実施例１の要部概略図であ
る。同図において１は第１の光学系としての撮影系であ
り、被写体像を１次結像面２１上に結像している。

【００２０】１０２は光学特性変更手段であり、撮影系
１による撮像素子面上に形成される物体像の光学特性を
種々と変化させている。光学特性変更手段１０２は例え
ばローパスフィルターや所定の分光特性を有した色フィ
ルター等の光学部材、被写体１００を特定の分光特性の
光束で照明する照明部、そして画素ずらしの為の光学部
材等から成っている。

【００２１】１０３は撮像手段であり複数の撮像素子を
有している。撮像素子は垂直方向と水平方向に所定の間
隔で配置した複数の画素より成っている。１０４は制御
手段であり、光学特性変更手段１０２の動作を制御し
て、撮像手段１０３からの画像が所望の光学特性を有す
るように選択的に画像信号に変換し、出力部１０６に送
出している。

【００２２】又制御手段１０４は撮像手段１０３からの
出力信号より合成画像を生成する合成画像生成手段と合
成画像の生成方法を切り替える切替手段等を有してい
る。１０５はモード設定手段であり、所望の解像特性を
有する画像が得られるようにスイッチ等で選択してい
る。

【００２３】図２は本発明に係るモード設定手段１０５
を撮影カメラ１１１の背面部に設けたときの一実施例の
要部概略図である。

【００２４】図３は図２のモード設定手段によるモード
選択動作のフローチャートである。図３のフローチャー
トではまずモード切り替えスイッチのどれが選択されて
いるか判別する。

【００２５】例えばスイッチＳＷ１のときは何も設定せ
ずに通常の撮影モードに移行するようにしている。スイ
ッチＳＷ２のときは画素ずらしを行うモードに設定し、
撮影時に画素ずらしした複数の画像から合成画像を生成
して高精細な画像を得るようにしている。スイッチＳＷ
３のときは画素ずらしを行い、かつ照明手段からの光束
の分光特性をフィルター等を用いて制御して所定の分光
特性の光束で被写体を照明し、これにより高精細な画像
を得るようにしている。

【００２６】本実施例におけるモード切り替えとしては
例えば被写体の状況に応じて複数画像から合成画像を生
成し、高精細画像を得る撮影モードと、画像の合成を行
わずに精細度は低いが短時間露光が可能な撮影モードと
を切り替えている。

【００２７】合成画像生成手段により高精細な画像を得
る方法として画素ずらしで高精細化を行うモードを選択
した場合には、画素ずらしの回数を切り替え可能とし、
被写体の状況や条件に応じて露光時間、精細度を選択可
能としている。

【００２８】図４は本発明の参考となるモノクロ文字等
のモノクロ画像撮影のモードを選択した場合の概略図で
ある。

【００２９】本参考例では合成画像の生成方法を切り替
える切替手段に連動して照明手段１２４が作動する構成
とし、専用の照明を行うことで精細度を向上させてい
る。

【００３０】例えば図５に示すように発光波長が狭域に
限られた水銀灯等を光源とする照明手段１２４を発光さ
せている。撮影光学系１２５の解像力は球面収差、コマ
収差、非点収差、像面弯曲の補正状態によるが色収差の
影響も大きい。

【００３１】特に超高解像光学系では色の補正の為に系
が複雑化大型化し、解像の限界を決めてしまう。従って
単色に近い図５に示す分光特性の光束で照明を行うこと
により色収差の発生を除去して高精細を達成している。

【００３２】尚色収差の発生を除去する他の手段とし
て、前記合成画像の生成方法を切り替える手段に連動し
て撮像面に到達する光束の分光特性が可変となる、例え
ばフィルターを用いた構成としても良い。この構成では
照明光源は任意でよい。

【００３３】図６は特定の分光特性の光束のみをフィル
ターを透過させて撮影するモードの説明図である。図６
では撮影系１３７の光路中に特定波長の光束のみを通過
する色フィルターを選択的に配置することにより例えば
被写体としてモノクロ文字の場合に色収差がない状態で
撮像し、これにより高解像度の画像を得るようにしてい
る。

【００３４】次に本発明において撮像手段１０３として
複数の撮像素子を用いて高精細な画像を得る一方法につ
いて図７〜図１０を用いて説明する。

【００３５】図７は光学系の要部断面図、図８は図７の
要部斜視図である。

【００３６】本実施例では図１の光学特性変更手段１０
２は特に用いないので省略している。

【００３７】図中１０３は撮像手段であり、第２の光学
系（フィールドレンズ）２、第３の光学系（レンズ系）
３、第１の撮像部（撮像素子）３１、第４の光学系（複
数のレンズ系４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）４、そして第２
の撮像部（複数の撮像素子４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４
１Ｄ）４１等を有している。

【００３８】第１の光学系１は被写体像を１次結像面
（予定結像面）２１上に結像させている。第２の光学系
２はフィールドレンズより成り、第１の光学系１の光軸
上であって、１次結像面２１近傍に配置しており、１次
結像面２１に形成した被写体像からの光束を集光して後
続するレンズ系に導光している。

【００３９】第３の光学系３は第１の光学系１の光軸上
であって、第２の光学系２の後方（像面側）に配置して
いる。即ち、第３の光学系３の光軸と第１の光学系１の
光軸と第２の光学系２の光軸とは互いに一致している。

【００４０】第１の撮像手段（主撮像手段）３１は第３
の光学系３の後方の結像面に配置しており、例えば固体
エリアセンサより成っている。

【００４１】第１の光学系１によって１次結像面２１に
形成した被写体像の全領域を第２の光学系２と第３の光
学系３により第１の撮像手段３１面上に再結像させてい
る。

【００４２】第４の光学系４は第４１レンズ系４Ａ、第
４２レンズ系４Ｂ、第４３レンズ系４Ｃ、そして第４４
レンズ系４Ｄの４つのレンズ系を有している。

【００４３】４つのレンズ系４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄは
第１の光学系１の光軸外に光軸を有し、第２の光学系２
の後方に配置している。

【００４４】第２の撮像手段（副撮像手段）４１は、例
えば固体エリアセンサから成る４つの撮像素子４１Ａ，
４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄを有し、各々４つのレンズ系４
Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄの結像面に配置している。

【００４５】第４の光学系の４つのレンズ系（４Ａ，４
Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）は第１の光学系１が形成した１次結像
面２１上の被写体像を複数の領域に分割し、各領域の被
写体像を各々対応する各撮像素子４１Ａ，４１Ｂ，４１
Ｃ，４１Ｄ面上に再結像させている。

【００４６】本実施例において第２の光学系２は図中実
線の光路３２で示すように第１の光学系１の瞳１ａと第
３の光学系３の瞳３ａとが互いに略共役となるようにし
ている。又図中破線の光路４２で示すように第４の光学
系４を構成する複数のレンズ系４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ
の瞳４Ａ１，４Ｂ１，４Ｃ１，４Ｄ１が各々第１の光学
系１の分割した瞳領域近傍にそれぞれ結像するようにし
ている。

【００４７】本実施例では、第３の光学系３の瞳位置と
第４の光学系４との瞳位置を適切に設定し、第１の光学
系の瞳１ａと第３の光学系の瞳３ａとが共役になるよう
に設定し、更に第４の光学系４の複数のレンズ系４Ａ，
４Ｂ，４Ｃ，４Ｄの瞳４Ａ１，４Ｂ１，４Ｃ１，４Ｄ１
が第１の光学系１の分割した瞳領域近傍に結像するよう
にしている。

【００４８】本実施例においては図７に示すように第１
の光学系１により被写体像を１次結像面２１上に結像さ
せ、該被写体像を第２の光学系２を通して第３の光学系
３により第１の撮像手段３１面上に該被写体像の全領域
を結像させている。又第４の光学系４の４つのレンズ系
４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄにより１次結像面２１に形成し
た被写体像を４つの領域に分割して各分割した一領域の
被写体像を第２の撮像手段４１を構成する４つの撮像素
子４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ面上に各々結像させ
ている。

【００４９】本実施例において高解像度の画像を必要と
する場合には切替手段を介して４つのレンズ系４Ａ，４
Ｂ，４Ｃ，４Ｄより成る第４の光学系４により被写体像
をそれぞれ対応する各撮像素子４１Ａ，４１Ｂ，４１
Ｃ，４１Ｄ面上に分割して結像させ、該４つの撮像素子
４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄからの画像情報を用い
て合成画像生成手段により、このとき必要に応じて第３
の光学系３で形成した第１の撮像手段３１で合成して高
解像度の被写体像を得ている。

【００５０】又、高解像度の画像を必要としない通常の
場合は第３の光学系３により全被写体像を第１の撮像手
段３１面上に結像させ撮像し、該第１の撮像手段３１か
らの画像情報を用いている。

【００５１】このように本実施例においては高解像度の
画像を必要とするときと、必要としない通常の場合と
で、第３の光学系３で得られた画像と第４の光学系４で
得られた合成画像とを切替手段により任意に選択して出
力できるように構成している。

【００５２】又、本実施例では第３の光学系３と第４の
光学系４との光軸を一致させずにそれぞれ配置して、１
次結像面２１に形成された被写体像を所望の重複度、倍
率でそれぞれ対応する撮像素子面上に再結像させてい
る。

【００５３】更に本実施例では第４の光学系４が形成す
る複数の分割像の和は第１の光学系１が形成する被写体
像の全領域が含まれるように構成している。即ち隣接す
る分割画像が互いに境界部分の画素を重複して持たせる
ように構成することによって、画像の境界部分に不都合
が生じないようにしている。

【００５４】図９は被写体像の全領域に対応する４つの
撮像素子４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ面上に結像さ
れる分割画像を合成する際の境界部分の重複を示す説明
図である。

【００５５】同図において、例えば撮像素子４１Ａと撮
像素子４１Ｂの画素の境界部４１Ｅは各々の撮像素子４
１Ａ、４１Ｂに含まれ、信号処理系で合成する際に対応
する画素を抽出することによって、境界部分の画像がと
ぎれないように連続して出力できるようにしている。

【００５６】次に本実施例の画像処理方法を図１０を用
いて説明する。図１０は本実施例の撮像装置の信号処理
系の要部ブロック図である。

【００５７】本実施例において、例えば高解像度の画像
を得る場合には同図（Ａ）に示す各撮像素子４１Ａ，４
１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄからの電気信号を各サンプルホー
ルド回路（Ｓ／Ｈ回路）５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１
Ｄでサンプルホールドし、各アナログ−デジタル変換回
路（Ａ／Ｄ変換回路）５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄ
でアナログ信号をデジタル信号に変換し、各メモリ（記
憶回路）５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃ，５３Ｄに記憶してい
る。そして全画面を構成できる順序で各メモリ５３Ａ，
５３Ｂ，５３Ｃ，５３Ｄから情報を読み出し画像合成処
理回路で合成し、高解像度の画像を得ている。

【００５８】又、必要に応じて第１の撮像手段３１から
の画像をサンプルホールド回路５５でサンプルホールド
し、Ａ／Ｄ変換回路５６でデジタル信号に変換し、メモ
リ５７に記憶した画像を利用するようにしている。

【００５９】一方、高解像度を必要としない通常の画像
を得る場合には同図（Ｂ）に示す撮像素子３１からの電
気信号をサンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ回路）５５でサ
ンプルホールドし、アナログ−デジタル変換回路（Ａ／
Ｄ変換回路）５６でアナログ信号をデジタル信号に変換
し、メモリ（記憶回路）５７に記憶している。そして該
メモリ５７からの情報を読み出し画像処理回路で処理
し、通常の画像を得ている。

【００６０】

【発明の効果】本発明によれば以上のように、複数の画
素を垂直方向と水平方向に所定の間隔で配置した撮像素
子を複数個用いて各撮像素子に被写体像を形成する際の
撮影系を構成する各光学要素を適切に設定することによ
り、高精細な画像情報が容易に得られるようにした撮像
装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１の要部概略図

【図２】 本発明に係るモード設定手段の説明図

【図３】 本発明に係るモード設定手段によるモード
動作のフローチャート

【図４】 本発明の参考となる照明手段の説明図

【図５】 本発明の参考となる照明手段の分光特性の
説明図

【図６】 本発明の参考となる撮影系の一部に設けた
色フィルター変換の説明図

【図７】 本発明に係る撮像手段の要部概略図

【図８】 本発明に係る撮像手段の要部斜視図

【図９】 図７の撮像素子に形成される物体像の説明
図

【図１０】 本発明に係る合成画像の信号処理の説明図

【符号の説明】

１，１２５ 撮影系（第１の光学系） １０２ 光学特性変更手段 １０３ 撮像手段 １０４ 制御手段 １０５ モード設定手段 １０６ 出力部 １２４ 照明手段 １００，１２６ 被写体 ２ 第２の光学系 ３ 第３の光学系 ４ 第４の光学系 ３１ 第１の撮像手段 ４１ 第２の撮像手段 ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ レンズ系 ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ 撮像素子

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の画素を垂直方向と水平方向に所定
   の間隔で配列した撮像素子を撮像系の像面側に複数配置
   し、該撮影系による物体像を光学特性を変化させる機能
   を有した光学特性変更手段を介して、該複数の撮像素子
   面に形成する撮像装置であって、該複数の撮像素子から
   の出力信号より合成画像を生成する合成画像生成手段
   と、該合成画像生成手段を用いて合成画像を生成する第
   １モードと該複数の撮像素子のうちの１つの撮像素子の
   出力信号のみを用いて画像の合成を行わない第２モード
   とを切り替える切替手段を有し、該切替手段を用いて画
   像の生成方法を切り替えて所望の解像力の画像を得るよ
   うにしたことを特徴とする撮像装置。
2. 【請求項２】 前記複数の撮像素子は、垂直方向又は／
   及び水平方向に画素のピッチよりも小さなピッチだけず
   らして配置されており、前記合成画像生成手段は、該複
   数の撮像素子から得られる出力信号を合成して画像を得
   ていることを特徴とする請求項１の撮像装置。