JP3397401B2 - 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、特に撮
像素子の画素数を増やすことなく限られた画素数の撮像
素子を複数個用いて高解像度の画像情報が容易に得られ
るようにし、かつ画像の劣化が生じることなく自動合焦
を行なうことができるようにした、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、特開昭６３−１９３６７８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、特開昭６３−１９３６７８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】本発明は限られた画素数を有する撮像素子
を複数個用いて各撮像素子の配置及び各撮像素子に被写
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、かつ画像の劣化が生じることなく自動合
焦を行なうことができる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】（１−イ）本発明の撮像
装置は、第１の光学系により被写体像を予定結像面に形
成し、該第１の光学系の光軸上であって該予定結像面近
傍に配置した第２の光学系と、該第１の光学系の光軸上
であって該第２の光学系の後方に配置した第３の光学系
とで該予定結像面に形成した被写体像の全てを第１の撮
像手段に再結像し、該第１の光学系の光軸外に光軸を有
し、該第２の光学系の後方に配置した第４の光学系で該
予定結像面に形成した被写体像の一部を第２の撮像手段
に再結像し、該第１の撮像手段と該第２の撮像手段とで
得られる画像情報を利用して高精細な画像情報を得るよ
うにした撮像装置であって、該第１の撮像手段からの信
号を利用して駆動手段により該第３の光学系を構成する
少なくとも一部のレンズ、又は／及び該第１の撮像手段
を光軸上移動可能となるようにしたことを特徴としてい
る。

【００１８】特に前記第４の光学系は複数のレンズ系を
有しており、前記第２の撮像手段は該複数のレンズ系に
対応した複数の撮像素子を有していることや、前記第４
の光学系の複数のレンズ系は前記第１の光学系が形成す
る被写体像を複数の領域に分割したときの各領域の被写
体像を各々対応する撮像素子面上に結像させていること
や、前記第２の撮像手段を構成する複数の撮像素子から
得られる画像情報と前記第１の撮像手段から得られる画
像情報とを利用して１つの画像情報を得ていることや、
前記第３の光学系と前記第４の光学系の複数のレンズ系
とはそれぞれ結像倍率が異なること等を特徴としてい
る。

【００１９】（１−ロ）本発明の撮像装置は、被写体像
を第１の光学系により予定結像面に結像させ、該予定結
像面近傍に配置した第１の光学系と光軸を同じくする第
２の光学系と該第２の光学系の後方であって該第１の光
学系との光軸を一致させて配置した第３の光学系とによ
り予定結像面に形成した被写体像の全てを第１の撮像手
段面上に結像させると共に、該予定結像面に結像した被
写体像を分割した複数の領域を該第１の光学系の光軸と
異なる光軸を有する複数のレンズ系を有し第２の光学系
の後方に配置した第４の光学系により該複数のレンズ系
に対応する複数の撮像素子を有する第２の撮像手段の該
複数の撮像素子面上に各々結像させ、該複数の撮像素子
からの画像情報を合成して全被写体像に関する画像情報
を得るようにした撮像装置であって、該第１の撮像手段
からの信号を利用して駆動手段により該第３の光学系を
構成する少なくとも一部のレンズ、又は／及び該第１の
撮像手段を光軸上移動可能となるようにしたことを特徴
としている。

【００２０】特に前記第３の光学系と第４の光学系の複
数のレンズ系とはそれぞれ結像倍率が異なることを特徴
としている。

【００２１】

【実施例】図１は本発明の実施例１の光学系の要部断面
図、図２は本発明の実施例１の要部斜視図である。

【００２２】図中、１は第１の光学系であり、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。

【００２３】２は第２の光学系であり、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、該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。

【００２４】３は第３の光学系であり、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。第３の光学系３は後述する駆動手段３３によ
り、該第３の光学系３を構成する少なくとも一部のレン
ズが光軸上移動可能となるように構成している。

【００２５】３１は第１の撮像手段（主撮像手段）であ
り、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。第１の撮像手段
３１は後述する駆動手段３３により光軸上移動可能とな
るように構成している。

【００２６】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。

【００２７】駆動手段３３は、例えば圧電素子より成っ
ており、第１の撮像手段３１からの出力信号に基づいて
第３の光学系３を構成する少なくとも一部のレンズ又は
／及び該第１の撮像手段３１を光軸上移動させている。

【００２８】４は第４の光学系であり、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。

【００２９】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。

【００３０】４１は第２の撮像手段（副撮像手段）であ
り、例えば固体エリアセンサから成る４つの撮像素子４
１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄを有し、各々４つのレン
ズ系４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄの結像面に配置している。

【００３１】第４の光学系４の４つのレンズ系（４Ａ，
４Ｂ，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撮像素子４１Ａ，４１Ｂ，４１
Ｃ，４１Ｄ面上に再結像させている。

【００３２】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。

【００３３】本実施例における第３の光学系３と第４の
光学系４の４つのレンズ系（４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）
との結像倍率は互いに異なっており、これにより瞳結像
を有効にそろえている。

【００３４】本実施例においては図２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。

【００３５】一般に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おける焦点合わせには撮像素子ある
いはレンズ系を構成する少なくとも一部のレンズを光軸
方向に往復移動させ、このとき映像信号の高周波数成分
の出力ピークを検知する、所謂テレビＡＦ方式が用いら
れている。

【００３６】しかしながらこの種の撮像装置においては
撮像の際にも、撮像素子あるいはレンズ系の一部のレン
ズを光軸方向に往復駆動させる為、振動等により高精細
な画像が劣化してくるという問題点がある。

【００３７】そこで本実施例における撮像装置は、第３
の光学系３に対応する第１の撮像手段３１からの信号を
用いて焦点状態を検知し、焦点合わせが必要となったと
きには駆動手段３３により該第１の撮像手段３１を光軸
上移動させて又は／及び該第３の光学系３の少なくとも
一部のレンズを光軸上移動させて行ない、このとき該第
１の撮像手段３１から得られる情報を利用して第１の光
学系１又は第４の光学系４の複数のレンズ系４Ａ，４
Ｂ，４Ｃ，４Ｄを光軸上移動させて焦点合わせを行なっ
ている。

【００３８】これにより第４の光学系４で得られる高精
細な合成画像に振動等による劣化が生じないようにして
いる。

【００３９】又、本実施例においては第３の光学系３の
少なくとも一部のレンズを光軸上、例えば一定速度で移
動させることにより、その画像の焦点位置の分布から被
写体の立体的な形状を認識することができ、しかもその
認識動作の際にも第４の光学系４で得られる合成画像は
一定に保持させることができる。

【００４０】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４つのレンズ系４Ａ，４Ｂ，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，４１Ｃ，４１Ｄ面上に分
割して結像させ、該４つの撮像素子４１Ａ，４１Ｂ，４
１Ｃ，４１Ｄからの画像情報を用いて信号処理系（合成
処理系）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で合成して全被写体像を
撮像している。

【００４１】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。

【００４２】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任意に選択して出力できるように
構成している。

【００４３】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。

【００４４】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。即ち後述す
るように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。

【００４５】図３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。

【００４６】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。

【００４７】次に本実施例の画像処理方法を図４を用い
て説明する。図４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。

【００４８】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５４で合成し、高解像度の画像を得ている。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】尚、本実施例においては被写体像の全画面
を４分割に分割し、それぞれ分割された各画像を信号処
理系（合成処理系）にて合成することにより１つの高解
像度の画像を得たが、第４の光学系を構成する４つのレ
ンズ系及び該レンズ系と対応する撮像素子の数を任意に
増やせば実質的に画素数を増やすことができ、これによ
り更に高解像度の画像を得ることができる。

【００５２】更に静止画像の場合には前述した従来の画
素ズラシ法と併用すれば更に高解像度の画像を得ること
ができる。

【００５３】

【発明の効果】本発明によれば前述の如く撮像装置の各
要素を適切に構成することより、限られた画素数の撮像
素子を用いて高解像度の画像を得ることができ、しかも
撮影光学系のバックフォーカス等に制限を与えず、画像
間の境界部分に不都合が生じない画像を得ることがで
き、又高解像度の画像を必要とする場合とそうでない場
合とで任意に出力画像を選択することができ、更に第３
の光学系で得られた画像の情報を利用すれば分割画像の
合成を高精度に行なうことができる。

【００５４】更に自動合焦を行なう際にも画像劣化が生
じることなく高解像度の画像を得ることができる撮像装
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の光学系の要部断面図

【図２】 本発明の実施例１の要部斜視図

【図３】 本発明の実施例１の画像の合成に関する説明
図

【図４】 本発明の実施例１の信号処理部の要部ブロッ
ク図

【符号の説明】

１ 第１の光学系 ２ 第２の光学系 ３ 第３の光学系 ４ 第４の光学系 ２１ 第１結像面 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 ５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄ サンプルホールド
回路 ５５ サンプルホールド回路 ５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃ，５３Ｄ Ａ／Ｄ変換回路 ５６ Ａ／Ｄ変換回路 ５５Ａ，５５Ｂ，５５Ｃ，５５Ｄ メモリ ５７ メモリ ５４ 画像合成処理回路 ５８ 画像処理回路

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の光学系により被写体像を予定結像
   面に形成し、該第１の光学系の光軸上であって該予定結
   像面近傍に配置した第２の光学系と、該第１の光学系の
   光軸上であって該第２の光学系の後方に配置した第３の
   光学系とで該予定結像面に形成した被写体像の全てを第
   １の撮像手段に再結像し、該第１の光学系の光軸外に光
   軸を有し、該第２の光学系の後方に配置した第４の光学
   系で該予定結像面に形成した被写体像の一部を第２の撮
   像手段に再結像し、該第１の撮像手段と該第２の撮像手
   段とで得られる画像情報を利用して高精細な画像情報を
   得るようにした撮像装置であって、 該第１の撮像手段からの信号を利用して駆動手段により
   該第３の光学系を構成する少なくとも一部のレンズ、又
   は／及び該第１の撮像手段を光軸上移動可能となるよう
   にしたことを特徴とする撮像装置。
2. 【請求項２】 前記第４の光学系は複数のレンズ系を有
   しており、前記第２の撮像手段は該複数のレンズ系に対
   応した複数の撮像素子を有していることを特徴とする請
   求項１記載の撮像装置。
3. 【請求項３】 前記第４の光学系の複数のレンズ系は前
   記第１の光学系が形成する被写体像を複数の領域に分割
   したときの各領域の被写体像を各々対応する撮像素子面
   上に結像させていることを特徴とする請求項２記載の撮
   像装置。
4. 【請求項４】 前記第２の撮像手段を構成する複数の撮
   像素子から得られる画像情報と前記第１の撮像手段から
   得られる画像情報とを利用して１つの画像情報を得てい
   ることを特徴とする請求項２又は３記載の撮像装置。
5. 【請求項５】 前記第３の光学系と前記第４の光学系の
   複数のレンズ系とはそれぞれ結像倍率が異なることを特
   徴とする請求項２、３又は４記載の撮像装置。
6. 【請求項６】 被写体像を第１の光学系により予定結像
   面に結像させ、該予定結像面近傍に配置した第１の光学
   系と光軸を同じくする第２の光学系と該第２の光学系の
   後方であって該第１の光学系との光軸を一致させて配置
   した第３の光学系とにより予定結像面に形成した被写体
   像の全てを第１の撮像手段面上に結像させると共に、該
   予定結像面に結像した被写体像を分割した複数の領域
   を、該第１の光学系の光軸と異なる光軸を有する複数の
   レンズ系を有し第２の光学系の後方に配置した第４の光
   学系により該複数のレンズ系に対応する複数の撮像素子
   を有する第２の撮像手段の該複数の撮像素子面上に各々
   結像させ、該複数の撮像素子からの画像情報を合成して
   全被写体像に関する画像情報を得るようにした撮像装置
   であって、 該第１の撮像手段からの信号を利用して駆動手段により
   該第３の光学系を構成する少なくとも一部のレンズ、又
   は／及び該第１の撮像手段を光軸上移動可能となるよう
   にしたことを特徴とする撮像装置。
7. 【請求項７】 前記第３の光学系と第４の光学系の複数
   のレンズ系とはそれぞれ結像倍率が異なることを特徴と
   する請求項６記載の撮像装置。