JP3513200B2 - 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、特に高
い解像度を有する撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、固体エリアセンサの進歩により高
画素数化、低価格化、小型化が可能となり家庭用の小型
ビデオカメラ、スチルカメラなどに応用普及し、ＮＴＳ
Ｃ等のテレビ規格では十分な画質が得られるようになっ
てきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、大画面
用の画像やハードコピー、コンピュータグラフィックス
等に必要な解像力を得るには、現状のエリアセンサの画
素数では不十分である。固体エリアセンサの画素数は通
常４０万画素、高精細用でも２００万画素が限度であ
り、さらなる改善は難しいとされている。

【０００４】そこで、他の方法で高画素化を実現する方
法として、例えば特公昭５０−１３０５２号、特公昭５
９−１８９０９号、特公昭５９−４３０３５号等が提案
している画素ズラシによる方法がある。これは撮像光学
系の像面側に光束を分割する素子、例えばダイクロイッ
クプリズムやハーフミラーを挿入し、複数のエリアセン
サを画素の半ピッチあるいはそれ以下の量だけ位置をズ
ラシして配置する方法で、得られた複数の画像からエリ
アセンサの画素数より多い情報が得られる。

【０００５】特開平４−２８６４８０号では、この分割
は無数に可能であると記載されているが、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、実際
には２倍、３Ｐプリズムを用いても３倍程度が限度であ
る。

【０００６】また、特開昭６３−１９３６７８号等で
は、撮影光学系に楔形の偏向部材を挿入し、偏向部の回
転によって生ずる画像の移動を周期的に撮像し、画素数
以上の情報を得る提案がなされている。しかしながら、
この方法では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、静止被写体であっても時
間がかかる欠点があった。

【０００７】さらに、特開昭６０−２５０７８９号で
は、撮影光学系の像をさらに２次結像光学系で分離して
複数の撮像素子で合成し、高解像度を得る提案がなされ
ている。光束分離鏡を１次結像面から微小にズラシて配
置し画像の境界部分の画素欠落を防止する工夫がされて
いるが、実際には分離鏡の厚み、軸外光束の瞳の問題等
があって難しい。画素数の増加も高々２倍ないし３倍程
度である。

【０００８】更に、第１の光学系の周辺光量落ちなどに
よりシェーディングが発生するが、従来の高精細画像の
撮像装置では、簡単な回路で高精度のシェーディング補
正を行うことが出来なかった。

【０００９】本発明は、以上説明したような従来技術の
欠点に鑑みてなされたもので、限られた画素数の撮像素
子を用いて高精細画像が得られ、しかも撮影光学系のバ
ックフォーカスなどに制限を与えず、容易な画像合成で
高解像化できる撮像装置の提供を目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段及び作用】前記目的を達成
するために、本発明では被写体像を形成する第１の光学
系と、該第１の光学系の予定結像面近傍に配置された第
２の光学系と、前記第１の光学系と光軸を一致させて前
記第２の光学系の後方に配置され、前記第１の光学系が
形成する像の全領域を再結像する第３の光学系と、前記
第１の光学系と光軸を一致させずに前記第２の光学系の
後方に配置された複数のレンズ系を有し、該複数のレン
ズ系のそれぞれによって前記第１の光学系が形成する像
の一部を再結像する第４の光学系と、前記第３及び第４
の光学系の結像面のそれぞれに配置された撮像素子とを
備え、前記第３の光学系の結像面に設けられた撮像素子
により得られる映像信号で、前記第４の光学系の結像面
に設けられた撮像素子により得られる映像信号のシェー
ディング成分を補正することを特徴とする。

【００１１】前記構成によれば、前記第１の光学系は、
被写体像を１次ピント面に結像させ、前記第２の光学系
は第１の光学系の瞳を前記第３及び第４の光学系の瞳近
傍に結像させ、前記第３及び第４の光学系は光軸を一致
させずに、１次ピント面に形成された像を所望の重複
度、倍率で再度結像させることが可能となる。

【００１２】さらに、前記第４の光学系の複数のレンズ
系がそれぞれ形成する複数の像の和は、前記第１の光学
系が形成する像の全領域を含む構成としている。これに
より、第３の光学系に対応した撮像素子の画像は全画
面、第４の光学系に対応した撮像素子の画像は合成して
全画面となる高精細画像になる。そして、第３の光学系
に対応した撮像素子の全画面画像を用いることにより、
第４の光学系に対応した撮像素子の高精細画像のシェー
ディング補正を簡単な回路で精度良く行っている。

【００１３】さらに、前記第４の光学系が形成する複数
の分割像の和は前記第１の光学系が形成する像の全領域
を含む構成とする。これにより、隣接する分割画像は互
いに境界部分の画素を重複して持つので境界部の不都合
が生じない。

【００１４】

【００１５】

【００１６】

【実施例】図１は、本発明の撮像装置の断面の概念図で
ある。１は第１の光学系で、１次結像面２１に被写体の
像を形成する。２は第２の光学系で、実線Ａで示した様
に前記光学系１の瞳を第３の光学系３の瞳に結像させて
いる。３１は前記光学系３の２次像を撮像する撮像素子
である。４は第４の光学系で４１は該光学系４の２次像
を撮像する素子であり、光軸から隔てて配置され、破線
Ｂは前記第１の光学系１の１次結像面２１の一部を前記
撮像素子４１上に撮像させ、前記光学系１の瞳の一部を
前記光学系４の瞳に結像させていることを示している。

【００１７】図２は本発明の撮像装置の分解斜視図であ
り、第４の光学系４は、第２の光学系２の後方に光軸を
中心として円周方向に配置された複数個、例えば４個の
レンズ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄから成り、これらのレン
ズにはそれぞれ撮像素子４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１
Ｄが設けられ、前記１次結像面２１をこれら撮像素子４
１Ａ〜４１Ｄに分割して結像するようにされている。第
３の光学系３は第４の光学系の後方に光軸上に配置され
ており、該光学系３およびその撮像素子３１は前記１次
結像面２１の全領域を結像し、そして撮像するように配
されている。

【００１８】図３（ａ）は、前記撮像素子３１の面上の
シェーディング特性を示す図で領域３２が面上のレベル
分布を示す。又図３（ｂ）は撮像素子４１Ａ，４１Ｂ，
４１Ｃ，４１Ｄの面上のシェーディング特性を示す図で
４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄの各領域が撮像素子４
１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄに対応している。この図
において、ＸＹ方向の平面は撮像素子の受光面を示し、
高さ方向は周辺光量落ちなどで生じるシェーディング成
分の輝度分布を示している。例えば、第１の光学系１の
周辺光量落ちにより生じたシェーディングの場合、撮像
素子３１で生じるシェーディングは領域３２に示すよう
に中央部の輝度が高く、周辺部が低くなる。これに対
し、撮像素子４１で生じるシェーディングは、撮像素子
３１で生じるシェーディングを４分割したものである。
よって前記各分割撮像素子４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４
１Ｄで生じるシェーディングは、同図３（ｂ）の各領域
４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄに示す通りとなる。そ
してこの領域４２Ａ〜Ｄのシェーディングは、前記撮像
素子３１の出力の低域成分である領域３２のシェーディ
ング成分にて補正することが出来る。

【００１９】図４に本発明の一実施例に係る撮像装置を
搭載したビデオカメラのシステムブロック図を示す。同
図において、１００は、前記第１〜４の光学系や撮像素
子３１，４１などで構成される光学系である。２００
は、光学系１からの映像信号からＲＧＢ信号や輝度
（Ｙ），色差信号（Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙ）を作り出すプロセ
ス回路である。３００は、プロセス回路２００からのア
ナログ信号出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器
である。４００は、メモリやその他種々の信号処理回路
で構成されるデジタル信号処理回路であり、後述するシ
ェーディング補正回路も含まれる。５００は、デジタル
信号処理回路４００からのデジタル信号をメモリカード
やハードディスクに記録するデジタル記録系である。６
００は、デジタル信号処理回路４００からのデジタル信
号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器である。更に
７００は、Ｄ／Ａ変換器６００からのアナログ信号出力
をテープやディスクなどに変調して記録する記録系であ
る。８００は、Ｄ／Ａ変換器６００の出力を外部のモニ
タなどに出力するためのビデオ出力回路である。

【００２０】次に、図５を用いて前記撮像素子３１，４
１の映像出力の出力方法の例を示す。図中４１０は、図
４の光学系１００の特に受光素子部分の電気的回路を示
している。３１，４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄは、
図２に示される撮像素子と同一のもので有り、その受光
部と転送部を示している。これらは、クロックジェネレ
ータ４４によりドライブされ信号電荷が読みだされる。
読み出された電荷は、それに続くバッファ３３、４３Ａ
〜４３Ｄにより夫々電圧に変換されバッファ３３からの
信号は直接プロセス回路２００に入力され、一方、バッ
ファ４３Ａ〜４３Ｄからの信号はアナログスイッチ４５
に送られる。アナログスイッチ４５は、クロックジェネ
レータ４４からの切り替えパルスによって順次切り替え
られていく。次に撮像素子４１Ａ〜４１Ｄの読み出し動
作について説明する。まず撮像素子４１Ａの水平方向の
第１ラインが読み出される。このときアナログスイッチ
４５では、スイッチ４５ＡがＯＮされ、そのほかはＯＦ
Ｆ状態となる。つづいて撮像素子４１Ｂの水平方向の第
１ラインが読み出され、このときアナログスイッチ４５
ではスイッチ４５ＢがＯＮされ、そのほかはＯＦＦ状態
となる。これ以後は撮像素子４１Ａと４１Ｂとの読み出
し動作が１ライン毎に交互に行われる。後段のプロセス
回路２００は、クロックジェネレータ４４からのクロッ
クパルスに基づいて同期信号を発生するが、撮像素子４
１Ａと４１Ｂの両方で１水平ラインとなるように水平同
期信号を発生させる。更に撮像素子４１Ａと４１Ｂのす
べてのラインが読み出されたら、次には撮像素子４１Ｃ
と４１Ｄとを１ライン毎に交互に読み出していく。そし
て、後段のプロセス回路２００は、撮像素子４１Ａと４
１Ｂのときと同様に撮像素子４１Ｃと４１Ｄの両方で１
水平ラインとなるように水平同期信号を発生させる。そ
して撮像素子４１Ｃと４１Ｄのすべてのラインが読み出
されたら、垂直同期信号を発生させる。これによりプロ
セス回路２００の出力では、分割撮像素子４１の映像は
合成され、高精細画像を得ることができる。

【００２１】勿論撮像素子３１の出力はプロセス回路２
００において所定のプロセス処理を施された後、水平垂
直同期信号を付加される。

【００２２】図６は、前記撮像素子４１のシェーディン
グを補正するための回路を示す。５１は、前記撮像素子
３１の出力をプロセス回路２００で処理した全画面映像
信号が入力される端子であり、５２は前記端子５１から
の全画面映像信号をデジタル信号に変換するためのＡ／
Ｄ変換器であり、５３は前記Ａ／Ｄ変換器５２の出力を
記憶するためのメモリ回路である。更に５４は前記撮像
素子４１の出力をプロセス回路２００で処理した高精細
映像信号が入力される端子であり、５５は前記端子５４
からの高精細映像信号をデジタル信号に変換するための
Ａ／Ｄ変換器であり、５６は前記Ａ／Ｄ変換器５５の出
力を記憶するためのメモリ回路である。そして６０はシ
ェーディング補正回路である。この補正回路６０は、シ
ェーディングの成分を取り出すためのローパスフィルタ
（ＬＰＦ）６１と、メモリ回路５３のデータを高精細セ
ンサたる前記撮像素子４１の総画素数に合わせるための
補間回路６２と、高精細映像信号からシェーディング成
分を差し引くための引算回路６３とからなる。このよう
に前記撮像素子３１の全領域映像信号のシェーディング
成分データで、前記撮像素子４１の高精細映像信号から
シェーディングデータを差し引くことにより、高精細画
像のシェーディング補正を行うことが出来る。

【００２３】次に、シェーディング補正回路６０の他の
場合について図７に示す。６１から６３迄は図６のシェ
ーディング補正回路６０と同一のものであり同一符号で
示してある。又、乗算器６４とレベル検出器６５が追加
されている。この回路では、ＬＰＦ６１の出力の補正レ
ベルをコントロールして精度良く補正できるようにゲイ
ン調整を行っている。前記乗算器６４の乗算値は前記レ
ベル検出器６５の出力により決定される。該レベル検出
器６５では、前記端子５４からの高精細映像信号から信
号レベルを検出して、そのレベルにあわせるように前記
乗算器６４の乗算値（すなわちシェーディング補正レベ
ル）をコントロールする。

【００２４】これにより、図６の実施例より精度良くシ
ェーディング補正を行うことが出来る。

【００２５】図８に本発明の第２の実施例を示す。５
１，５３，５４，５６は、図６と同一のものであり同一
符号で示してある。又、７１は前記端子５１と端子５４
からの入力を切り替えるアナログスイッチであり、７２
はリファレンス電圧の調整が出来るＡ／Ｄ変換器であ
り、７３は該Ａ／Ｄ変換器７２の出力をメモリ回路５３
とメモリ回路５６に切り替えるためのデータセレクタ、
８０は前記Ａ／Ｄ変換器７２のリファレンス電圧により
シェーディング補正するためのシエーディング補正回路
である。該シェーディング補正回路８０は、ＬＰＦ８１
とリファレンス電圧の調整をするためのＤ／Ａ変換器８
２とリファレンス定電圧８３とリファレンス電圧の切り
替えスイッチ８４とで構成されている。

【００２６】次にこの回路の動作について説明する。ま
ず通常モードでは、アナログスイッチ７１は前記端子５
１の出力を選択している。この時、Ａ／Ｄ変換器７２の
リファレンス電圧にはリファレンス定電圧８３の定電圧
が供給されており、前記Ａ／Ｄ変換器７２の出力はデー
タセレクタ７３を通してメモリ回路５３に供給されてい
る。そして高精細モードでは、前記アナログスイッチ７
１は前記端子５４の出力を選択する。前記データセレク
タ７３はメモリ回路５６に切り替わり、リファレンス電
圧の切り替えスイッチ８４もＤ／Ａ変換器８２側に切り
替わる。この時、メモリ回路５３の出力はＬＰＦ８１に
入力されてシェーディング成分が取り出され、更にＤ／
Ａ変換器８２にてアナログ電圧に変換され、シェーディ
ング補正用の電圧にされて前記Ａ／Ｄ変換器７２のリフ
ァレンス電圧端子に供給される。これにより前記端子５
４のデータはＡ／Ｄ変換時にシェーディング補正される
ことになる。

【００２７】次に、シェーディング補正回路８０の他の
場合について図９に示す。この回路では、レベル検出回
路８５が追加されている。このレベル検出回路８５の動
作は、高精細モード時にＡ／Ｄ変換器７２の出力レベル
から、補正すべきシェーディングレベルを換算して、そ
の大きさに従ってＤ／Ａ変換器８２のリファレンス電圧
レベルを変えシェーディングの精度を向上させたもので
ある。このレベル検出回路８５は、通常モード時の前記
端子５１の出力レベルの積分値と高精細モード時の前記
端子５４の出力レベルの積分値とを比較して、その差に
応じて出力電圧をコントロールする。例えば、前記レベ
ル検出回路８５は、前記端子５１の出力レベルの積分値
が高精細モード時の前記端子５４の出力レベルの積分値
より大きいときは、この出力を大きくして前記Ｄ／Ａ変
換器８２のリファレンス電圧を上げて補正すべきシェー
ディングレベルを下げる。逆に、前記端子５１の出力レ
ベルの積分値が高精細モード時の前記端子５４の出力レ
ベルの積分値より小さいときは、この出力を小さくして
前記Ｄ／Ａ変換器８２のリファレンス電圧を下げて補正
すべきシェーディングレベルを上げる。これにより、シ
ェーディング補正の精度を高めることが出来る。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
限られた画素数の撮像素子を用いて高精細画像が得ら
れ、しかも撮影光学系のバックフォーカスなどに制限を
与えず、第３の光学系で得られた画像の情報を使用して
分割画像のシェーディング補正を高精度に行えるので画
像間の境界部分に不都合が生じない撮像装置が可能であ
る。

【００２９】さらに、高解像を必要とする場合とそうで
ない場合で、第３の光学系で得られた画像と第４の光学
系で得られた合成画像を選択して使用可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の撮像装置の光学系の断面を模式的に示
した概念図である。

【図２】同上撮像装置の光学系の分解斜視図である。

【図３】同上撮像装置の第３、第４の夫々の光学系の各
２次像を撮像する撮像素子の夫々の画像のシェーディン
グ特性に関する説明図である。

【図４】同上撮像装置を組込んだビデオカメラのシステ
ムブロック図である。

【図５】同上撮像装置の撮像素子からの信号読み出しを
説明する図で、図４の光学系の特に受光素子部分を示す
回路図である。

【図６】第１のシェーディング補正回路の実施回路図で
ある。

【図７】同上第１のシェーディング補正回路の改良図で
ある。

【図８】第２のシェーディング補正回路の実施回路図で
ある。

【図９】同上第２のシェーディング補正回路の改良図で
ある。

【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 １次結像面 ３１ 撮像素子 ３２ 領域 ４１ 撮像素子 ４２ 領域

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被写体像を形成する第１の光学系と、該
   第１の光学系の予定結像面近傍に配置された第２の光学
   系と、前記第１の光学系と光軸を一致させて前記第２の
   光学系の後方に配置され、前記第１の光学系が形成する
   像の全領域を再結像する第３の光学系と、前記第１の光
   学系と光軸を一致させずに前記第２の光学系の後方に配
   置された複数のレンズ系を有し、該複数のレンズ系のそ
   れぞれによって前記第１の光学系が形成する像の一部を
   再結像する第４の光学系と、前記第３及び第４の光学系
   の結像面のそれぞれに配置された撮像素子とを備え、前
   記第３の光学系の結像面に設けられた撮像素子により得
   られる映像信号で、前記第４の光学系の結像面に設けら
   れた撮像素子により得られる映像信号のシェーディング
   成分を補正することを特徴とする撮像装置。
2. 【請求項２】 前記第４の光学系の複数のレンズ系がそ
   れぞれ形成する複数の像の和は、前記第１の光学系が形
   成する像の全領域を含む構成としたことを特徴とする請
   求項１記載の撮像装置。