JP3684027B2 - Optical device, imaging device, image shift method, and lens unit - Google Patents

Description

であるから、結局
δ＝（１−１／Ｎ）・ｔ・ω
となる。
【００７２】
ここで、図２６（ａ）において撮像対象物体１の一点１ｂからの光情報が、固体撮像素子１０４の不感帯１０４ｂに入射して無効データとなってしまっていたのを、図２６（ｂ）の状態に変化させることで被写体１００の一点１ｂからの光情報が、固体撮像素子１０４の感光部１０４ｃに入射して有効データとして活用できる。
【００７３】
図２６（ａ）の状態で取り込んだ撮像データと図２６（ｂ）の状態で取り込んだ撮像データをメモリ上に収集しそのデータを位相を補正して合成すれば画素数が２倍になったのと同じデータ量を得ることができる。
【００７４】
以上のような原理を利用して、光学素子１０３を数箇所の傾斜位置に静止させ、その都度撮像素子１０４に受光される光情報を取り込めば撮像感光部数の数倍の画像情報を得ることができる。
【００７５】
「画素ずらし」自体の基本原理は、以上のようになっており、次に、本発明の実施の形態について説明する。
【００７６】
（発明の第１の実施の形態）
本発明は、撮影レンズと撮像素子（ＣＣＤ）との間に、撮影レンズを介して入射した光束を、撮像素子の撮像面において水平方向にシフトするための平行平板ガラスを含む水平シフト機構と、垂直方向にシフトするための平行平板ガラスを含む垂直シフト機構とを備えている。
【００７７】
図１は、本発明の撮像装置における画素ずらしシステムの概略構成を示す斜視図で、同図において、１は光学系としての撮像レンズユニット、２は撮像手段としてのＣＣＤ等の撮像素子である。３は撮影レンズユニット１を介して入射する光束を、撮像素子２の撮像面（結像面）上において、垂直方向にシフトする（垂直方向）光学素子としてのガラスあるいはプラスチックで形成された透過平行平板ガラス（以下平行平板と称す）で、その両端部にはそれぞれ係合部としての電磁軟鉄のアーマチャ４Ｕ，４Ｄが配され、各アーマチャ４Ｕ、４Ｄの光軸方向前後には、光学素子を駆動する駆動手段（電磁駆動手段）としての電磁石５Ｕａ，５Ｕｂ、５Ｄａ，５Ｄｂがそれぞれ配され、これらの電磁石を駆動状態を制御して、平行平板３の傾斜状態を制御し、矢印Ｖ方向に回動しすることにより、撮像面上における光束の入射位置を垂直方向に上下シフトすることができる。
【００７８】
尚、電磁石５Ｕａは、ヨーク５１Ｕとコイル５３Ｕからなり、電磁石５Ｕｂはヨーク５２Ｕとコイル５４Ｕによって構成されている。これらの電磁石のコイルへの通電を制御することにより、平行平板３の上端のアーマチャ４Ｕを前後に移動する（電磁）駆動手段が構成される。
【００７９】
また電磁石５Ｄａは、ヨーク５１Ｄとコイル５３Ｄからなり、電磁石５Ｄｂは、ヨーク５２Ｄとコイル５４Ｄからなる。これらの電磁石のコイルへの通電を制御することにより、平行平板３の下端のアーマチャ４Ｄを前後に移動する電磁駆動手段が構成される。
【００８０】
これらの電磁石５Ｕａ，５Ｕｂ，５Ｄａ，５Ｄｂのオン、オフ制御により、平行平板３の上部及び下部を光軸方向前後に移動してその傾斜角を変更し、平行平板３を通過して撮像素子の撮像面上に入射する入射光の入射位置を、光軸方向に対して垂直方向（上下）にずらすことができる。
【００８１】
一方、６は撮影レンズ１を介して入射する光束を、撮像面上において、水平方向にシフトする平行平板ガラス（以下平行平板と称す）で、その両端部にはそれぞれ係合部としての電磁軟鉄のアーマチャ７Ｌ、７Ｒが配され、各アーマチャ７Ｌ、７Ｒの光軸方向前後には、それぞれ電磁石８Ｌａ，８Ｌｂ、８Ｒａ，８Ｒｂが配されており、これらの電磁石の駆動状態を制御して平行平板６の傾斜状態を制御し、矢印Ｈ方向に回動することにより、撮像面上における光束の入射位置を水平方向に左右シフトすることができる。
【００８２】
尚、電磁石８Ｌａは、ヨーク８１Ｌとコイル８３Ｌからなり、電磁石８Ｌｂは、ヨーク８２Ｌとコイル８４Ｌからなる。これらの電磁石のコイルへの通電を制御することにより、平行平板６の左端のアーマチャ７Ｌを前後に移動する（電磁）駆動手段が構成される。
【００８３】
また電磁石８Ｒａは、ヨーク８１Ｒとコイル８３Ｒからなり、電磁石８Ｒｂは、ヨーク８２Ｒとコイル８４Ｒからなる。これらの電磁石のコイルへの通電を制御することにより、平行平板６の右端のアーマチャ７Ｒを前後に移動する電磁駆動手段が構成される。
【００８４】
これらの電磁石８Ｌａ，８Ｌｂ、８Ｒａ，８Ｒｂのオン、オフ制御により、平行平板６の左部及び右部を光軸方向前後に移動してその傾斜角を変更し、平行平板６を通過して撮像素子の撮像面上に入射する入射光の入射位置を、光軸方向に対して水平方向（左右）にずらすことができる。
【００８５】
これらの垂直方向、水平方向の２枚の平行平板３、６を撮影レンズ１と撮像素子２との間の空間において、それぞれ上下方向、左右方向に傾斜させ、撮影レンズを通過した光束の撮像面上における入射位置を垂直方向及び水平方向に、撮像素子の画素間隔よりも小さいピッチでシフトすることにより、撮像素子の画素間に入射する画像を撮像することができ、撮像素子の実際の画素数よりも多い画素数の撮像素子で撮像したのと等価の高画質を実現することが可能となる。
【００８６】
以下、図２乃至図６を用いて、本発明の画素ずらしシステムの細部の構成及び動作について説明する。
【００８７】
図２は、垂直方向における画素ずらしを行う平行平板３の構成を図示したものである。
【００８８】
本発明の画素ずらしシステムは撮影レンズ１と撮像素子２との間に配されるため、カメラを例にすれば、レンズユニットかカメラ本体内に配される事になる。
【００８９】
図２（ａ），（ｂ）は、平行平板３を、それぞれ前方すなわち光の入射方向、及び右側方より見た状態を示すものであり、同図（ａ）に示すように、平行平板３は、撮像素子２の撮像面の前方に位置され、撮像面全面をカバーする大きさを有する。
【００９０】
また平行平板３は、その上下のアーマチャ４Ｕ，４Ｄを、それぞれレンズユニットあるいはカメラ本体の筐体側に形成されている。
【００９１】
図２（ｂ）において、平行平板３は、その両端に配された電磁軟鉄をそれぞれ筐体に形成された凹部９１Ｕ，９１Ｄ内に遊嵌された状態で、すなわち前後方向、上下方向に所定のクリアランスを有した状態で保持されている。
【００９２】
また凹部９１Ｕ，９１Ｄは、それぞれ紙面に垂直方向に平行平板の幅と略同じ長さに延長され、かつ平行平板３両端部の電磁軟鉄のアーマチャ４Ｕ、４Ｄをその凹部の内面９２Ｕ，９３Ｕ、９２Ｄ，９３Ｄに沿って円柱状の円筒部材に形成することにより、凹部内の規制面に当接する際に線接触となるようになされ、平行平板３のあおり方向の傾きを規制することができる。またこの円柱形状による線接触と同じ効果を得る方法として、この線接触ライン上に複数の点接触部を形成してもよい。
【００９３】
これらの凹部は、本発明における光学素子を位置決めするための規制部として機能し、光学部材としての平行平板の係合部であるアーマチャと当接する面は、位置決めを行うための位置規制面あるいは位置規制部として機能する。
【００９４】
そして、各凹部内のそれぞれ光軸方向すなわち図で見て左右の内壁面９２Ｕ，９３Ｕ、９２Ｄ，９３Ｄにアーマチャ４Ｕ、４Ｄを当接させることによって、平行平板の光軸に対する各傾斜位置及び光軸方向の位置が位置決めされ、各凹部の光軸方向における幅に応じて、平行平板３の両端部のアーマチャ４Ｕ、４Ｄの光軸方向における移動量が決定され、結果として平行平板３の傾き量または光軸方向の位置が異なるように制御される。
【００９５】
本画素ずらしシステムは、このような構成の平行平板を、水平方向にも備えており、その位置関係を図３（ａ），（ｂ）に示す。
【００９６】
図３（ａ）は、光軸方向前方より見た正面図，図３（ｂ）は、上方より見た図である。図１からもわかるように、撮像レンズユニット１と撮像素子２との間には、それぞれ水平方向の平行平板６と、垂直方向の平行平板３とが、互いに直交する関係で配されている。
【００９７】
本発明の画素ずらしシステムにおいて、重要なのは、各平行平板の傾斜位置または光軸方向の位置をその両端のアーマチャと凹部内の各位置規制面によって、規制することによって、多くの傾斜位置を得るとともに、その駆動源に電磁石を用い、さらに平行平板は、その両端部のアーマチャを凹部内に所定のクリアランスをもって遊嵌しておくだけの構成とし、動作時に電磁石の電磁力によって位置規制を行い、且つ電磁石が付勢されていない状態では、平行平板の支持手段として、特別な構成を必要としないことである。この支持構成によれば、従来のシステムのように、垂直及び水平方向における回動軸を有するジンバル機構や複雑なカム機構、ギヤ機構、複数のステップモータ等を省略することができる。
【００９８】
また平行平板３、６とも、凹部内に遊嵌されているだけで、ジンバル等の支持機構が不要であり、且つ駆動力も電磁力を直接作用させるため、駆動力を伝達する機構も不要であることから、構成が簡単であるだけでなく、極めて高速の駆動が可能となり、且つ高精度の位置規制が可能となる。
【００９９】
以下、本実施形態における画素ずらしシステムの構成と、平行平板の制御の詳細について、図４〜図７を用いて説明する。
【０１００】
図４〜図７は垂直方向における画素すらしを行う平行平板３の傾斜位置制御を説明するための図である。特徴的な構成は、凹部９１Ｕと、９１Ｄの相対的な位置関係及び凹部の幅の設定にある。
【０１０１】
図４〜図７は、それぞれ被写体上の１点に対応する入射光の撮像素子２の撮像面における入射位置を、順次下方へとシフトするための、平行平板の傾斜位置を示している。
【０１０２】
図４において、平行平板３の上端のアーマチャ４Ｕが遊嵌されている凹部９１Ｕと下端のアーマチャ４Ｄが遊嵌されている凹部９１Ｄとは、その幅すなわち光軸方向における長さ、及びその位置がほぼ同一に設定されている。
【０１０３】
図４では、上方では、電磁石５Ｕａがオン、電磁石５Ｕｂがオフで、アーマチャ４Ｕが凹部９１Ｕ内において、電磁石５Ｕａのヨーク５１Ｕに吸着され、光軸方向前方となる位置規制面９２Ｕに当接されて位置決めされており、下方では、電磁石５Ｄａがオフ、電磁石５Ｄｂがオンで、アーマチャ４Ｄが電磁石５Ｄｂのヨーク５２Ｄに吸着され、光軸方向後方となる位置規制面９３Ｄに当接されて位置決めされている。
【０１０４】
本実施形態では、この図４の状態で、平行平板３が光軸に対して上方に画素ずらしを行うように設定されているが、図４，図５，図６，図７それぞれの傾斜状態は、いずれも絶対的なものではなく、あくまでも、本来は入射されないはずの画像を、平行平板の傾斜角に応じて、入射可能とするものであるから、図４，図５，図６，図７の状態で、特に光軸に垂直である必要はない。
【０１０５】
ここで、アーマチャ４Ｕと、凹部９１Ｕの幅とのクリアランスすなわちアーマチャ４Ｕと、凹部９１Ｕ内の位置規制面９３Ｕとの間隙をｄ１、同様にアーマチャ４Ｄと、凹部９１Ｄの幅とのクリアランスすなわちアーマチャ４Ｄと、凹部９１Ｄ内の位置規制面９２Ｄとの間隙をｄ２とし、両者の間には、ｄ２＝ｄ１、すなわち間隙ｄ２が間隙ｄ１の１倍すなわち等しく設定されている。
【０１０６】
またω１は、このとき撮像素子２の撮像面と、平行平板３とのなす角を示している。尚、間隙ｄ１、ｄ２の設定は高精度に行われる。
【０１０７】
この図４の状態において、電磁石５Ｕａをオフにして、電磁石５Ｕｂをオンにして励磁すれば、平行平板３の上端のアーマチャ４Ｕが上方凹部９１Ｕの位置規制面９２Ｕを離れ、位置規制面９３Ｕ側へと吸着されて当接し、位置決めがなされ、図５の状態となる。
【０１０８】
これによって、平行平板３は、その上下端のアーマチャ４Ｕ，４Ｄをそれぞれ凹部９１Ｕ内の位置規制面９３Ｕ、凹部９１Ｄ内の位置規制面９３Ｄによって、その傾斜位置を規制される。すなわち図４の状態から、同図で見て１段階右に傾斜し、撮像素子２の撮像面上における入射光の受光位置が、撮像面上において、下方にシフトされる。尚、この状態において、撮像面と平行平板とのなす角をω２とする。
【０１０９】
この図５の状態で、上方の凹部９１Ｕの電磁石５Ｕｂをオフ、電磁石５Ｕａをオンすることにより、アーマチャ４Ｕは凹部９１Ｕ内の位置規制面９３Ｕを離れ、位置規制面９２Ｕへと吸着されて当接し、位置決めされる。
【０１１０】
また下方の凹部９１Ｄの電磁石５Ｄｂをオフ、電磁石５Ｄａをオンすることにより、平行平板３の下方のアーマチャ４Ｄは、下方凹部９１Ｄ内の位置規制面９３Ｄを離れ、位置規制面９２Ｄへと吸着されて当接し、位置決めがなされ、図６の状態となる。
【０１１１】
これによって、平行平板３は、その上下端のアーマチャ４Ｕ、４Ｄをそれぞれ凹部９１Ｕ内の位置規制面９２Ｕ、凹部９１Ｄ内の位置規制面９２Ｄによって、その傾斜位置を規制される。すなわち図５の状態から、略同じ傾斜で（異なる規制面に当接しているので厳密には異なる）、その光軸方向の位置が同図で見て左へ移動し、撮像素子２の撮像面上における入射光の受光位置は、撮像面上において、略同位置になる。尚、この状態において、撮像面と平行平板とのなす角をω３とする。しかるに、ω２≒ω３となり、図５と図６の状態は、平行平板と光軸のなす角度が同じになるので、画素ずらしの効果としては両者は等しく、どちらか一方の状態を選択すればよい。
【０１１２】
ここでは、図５の状態を選択して実施例の説明を続ける。
【０１１３】
図５の状態で、電磁石５Ｄｂをオフにして、電磁石５Ｄａをオンすると、平行平板３の下端のアーマチャ４Ｄが下方凹部９１Ｄの位置規制面９３Ｄを離れ、位置規制面９２Ｄ側へと吸着されて当接し、位置決めがなされ、また上端のアーマチャ４Ｕは、凹部９１Ｕの位置規制面９３Ｕに位置決めされ、図７の状態となる。
【０１１４】
これによって、平行平板３は、図５の状態から、さらに図で見て右方へと傾斜し、その傾斜角は最大となる。この状態において、撮像面と平行平板とのなす角をω４とする。
【０１１５】
以上、図４〜図７に示されているように、平行平板３の傾きをω１〜ω４へと順次変化させることにより、３段階の傾斜角に制御することができ、これによって、被写体からの入射光を撮像面上に対して垂直方向に３個所にシフトすることができる。
【０１１６】
尚、ω１〜ω４の間は、
（ω２−ω１）＝（ω４−ω２）＝（ω４−ω３）＝一定
の関係が保たれるよう、設定されており、撮像面上において、平行平板３の傾斜によって変化する入射光の入射位置が、撮像面上において等間隔にシフトされることを示している。
【０１１７】
そして、本実施形態では、その１段階のシフト量が、撮像素子の、画素間隔の３分の２の距離となるように、各凹部９１Ｕ，９１Ｄ内のアーマチャとの間のクリアランスｄ１、ｄ２が設定されている。ｄ１，ｄ２は、平行平板の傾斜角を決定するものであるから、撮像素子の画素間隔、あるいはシフト量に応じて変更される。
【０１１８】
また上述の説明から明らかであるが、平行平板３は、その両端部のアーマチャが、各凹部９１Ｕ，９１Ｄ内に遊嵌されることによって、がたを有した状態で支持されており、電磁石の励磁によって、アーマチャを凹部内の位置規制面に当接させることによって傾斜角を決定しているが、アーマチャの位置規制面と接する部分を円筒形状としているので、位置規制面上において、円筒形アーマチャの当接する位置が、平行平板の長手方向にずれても、平行平板の傾斜角が変化しないため、撮像素子の撮像面における入射光の入射位置は変化しない。
【０１１９】
また、各凹部９１Ｕ，９１Ｄの光軸方向の位置を同一に設定しておけば、傾斜角が変化しても、光軸方向における平行平板の中心位置が大きく変化することもなく、常に正確な画素ずらしを行うことができる。
【０１２０】
尚、アーマチャを円筒形にしているため、電磁石による電磁力によって吸引した際、最も位置規制面に近接する部分が点（実際には、線となる）となるため、電磁石のアーマチャの位置にセンタリングされ、実質的には、位置ずれもない。
【０１２１】
また凹部９１Ｕ，９１Ｄ内において、電磁石５Ｕａ，５Ｕｂ，５Ｄａ，５Ｄｂの各ヨーク５１Ｕ、５２Ｕ，５１Ｄ、５２Ｄの先端部は、それぞれ位置規制面９２Ｕ９３Ｕ，９２Ｄ、９３Ｄより突出しないように、その取り付け位置が設定されている。これによって、平行平板アーマチャが常に凹部の位置規制面によって位置決めされ、電磁石の取り付け位置精度の影響を受けず、高精度な位置決めが可能となる。
【０１２２】
以上の構成により、各傾斜角ごとに入射光の入射位置を撮像面の画素間隔の３分の２の距離すなわち３分の２画素ピッチでシフトするように平行平板の傾きを設定することによって、実際の撮像素子の垂直方向の画素数の実質的に３倍の画素数を得ることができる。
【０１２３】
そして、平行平板３の各傾斜位置ごとに、撮像素子にて撮像された３枚の画像をメモリに順次記憶し、メモリから読み出す際に、３枚の画像の各画素の読み出し順序を制御することにより、１枚の高画質画像に合成することができるわけである。
【０１２４】
以上は、撮像面上における垂直方向における画素ずらしを説明するものであるが、前述のように、本発明における実施形態では、このような画素ずらし機構を水平方向にも備えているため、水平方向においても画素ずらしを行い、撮像素子の画素数を実質的に３倍にすることができ、トータルで９倍の画素数を得ることができる。
【０１２５】
図８〜図１１は、水平方向における画素ずらしを、水平方向における平行平板６の傾斜角を順次変更することによって行う動作を説明するものである。
【０１２６】
この水平方向における画素ずらし機構の構成及び動作原理は、上述の図４〜図７に示す垂直方向における画素ずらし機構と同一であるので、詳細な説明は省略する。
【０１２７】
尚、平行平板６の傾斜角は、それぞれ平行平板の左右端部に取り付けられたアーマチャ７Ｌ、７Ｒの遊嵌されている左右の凹部９１Ｌ，９１Ｒの位置規制面９２Ｌ，９３Ｌ、９２Ｒ，９３Ｒによって決定され、凹部９１Ｌの幅と、アーマチャ７Ｌとの間のクリアランスをｄ３、凹部９１Ｒの幅とアーマチャ７Ｒとの間のクリアランスをｄ４とし、本実施形態では、ｄ４＝ｄ３の関係に設定されている。
【０１２８】
そして、図８，図９，図１０，図１１の順に、平行平板６の傾斜角を大きくし、撮像面と平行平板の間のなす角を、ω５、ω６、ω７、ω８と、段階的に変化させる（大きくしていく）ことにより、水平方向においても、撮像面上において、等間隔に画素ずらしが行われる。
【０１２９】
尚、ω５〜ω８の間は、
（ω６−ω５）＝（ω８−ω６）＝（ω８−ω７）＝一定
の関係が保たれるよう、設定されている。
【０１３０】
本実施形態では、その１段階のシフト量が，撮像素子の水平方向における画素間隔の３分の２の距離となるように、各凹部９１Ｌ，９１Ｒ内のアーマチャとの間のクリアランスｄ３、ｄ４が設定されている。ｄ３，ｄ４は、平行平板の傾斜角を決定するものであるから、撮像素子の画素間隔、あるいはシフト量に応じて変更される。
【０１３１】
尚、上述の図４〜図７、図８〜図１１とも、順次平行平板の傾斜角が大きくなるように変化させているが、各傾斜位置ごとに、画像を撮像してメモリに記憶し、後の処理で合成するので、平行平板の傾斜角の順序は、どのように行ってもかまわない。すなわち図４〜図７、図８〜図１１の順序は、図に示す通りである必要はなく、任意の順序でよく、各電磁石を制御して、垂直方向に３画面、水平方向に３画面の合計９画面を撮像すれば、その順序は任意でよい。
【０１３２】
また、垂直方向の画素ずらし機構と、水平方向の画素ずらし機構は、独立しているので、両者の間の制御の画素ずらしの方向及び順序も任意でよい。ただし画素ずらし位置１箇所毎の画像の撮像中（電荷蓄積中）は、いずれの平行平板も静止させておかなければならないことは、言うまでもない。
【０１３３】
図１２は、図４〜図７に示す垂直画素ずらしの為の平行平板３の３つの状態と、図８〜図１１に示す水平画素ずらしの為の平行平板６の３つの状態と、を組み合わせて画素ずらしを行った場合の空間的位置を示す摸式図である。
【０１３４】
図１２を用いて、光束をいかにずらしてデータの取り込みを行うかを説明する。
【０１３５】
同図において、ハッチング（クロスハッチ等４種類のハッチング）で示す場所がたとえばインタライントランスファ型ＣＣＤ等の撮像素子上の画素（受光部）の位置の一部を抜粋した図であり、それら画素間（不感帯）を２つに区切って画素ピッチを３分割するように碁盤状に区切っている。
【０１３６】
図１２（ａ）は、図４〜図７に示す垂直画素ずらしの為の平行平板３の３つの状態と、図８〜図１１に示す水平画素ずらしの為の平行平板６の３つの状態とによって、例えば、記号Ａで示す受光部で捕らえることのできる光束は座標（Ｈ５，Ｌ５）、（Ｈ５，Ｌ７）、（Ｈ５，Ｌ９）、（Ｈ７，Ｌ５）、（Ｈ７，Ｌ７）、（Ｈ７，Ｌ９）、（Ｈ９，Ｌ５）、（Ｈ９，Ｌ７）、（Ｈ９，Ｌ９）の９箇所に入射する光束であり、各々に入射する光束を１つずつ受光部Ａに導き（画素ずらし）を行い、受光部Ａのフィールド読み出し時にそのデータ（受光部に蓄積された電荷）を読み出す。このことはその他の全ての受光部のフィールド読み出し時についても同様である。
【０１３７】
この結果、図１２（ｂ）に示す様に、画素ずらしによって各受光部の周囲の不感帯に入射して取り込めなかった光束のデータを取り込むことが可能になる。
【０１３８】
言い換えれば、本来、撮像面内の各画素間の不感帯や、他の画素に入射される画像情報を受光することができ、結果として、撮像素子の画素数を増加させたのと同じ効果を得ることができるものである。
【０１３９】
本発明における画素ずらしシステムの構成及び動作は、以上述べた通りであり、垂直方向及び水平方向における画素ずらしを行う平行平板をそれぞれ設け、それぞれ撮像素子の垂直方向、水平方向に画素間を２／３画素ピッチでシフトして撮像することにより、実質的に垂直、水平方向に３倍、全体で３×３＝９倍の画素数の撮像素子で撮像したのと同じ画素数の画質を得ることができる。
【０１４０】
（第２の実施形態）
次に本願発明における第２の実施形態について説明する。本実施形態は、図４〜図１１の第１の実施形態が垂直方向、水平方向にそれぞれ３段階に画素ずらしを行う構成であったのに対して、垂直、水平方向それぞれに対して、４段階に画素ずらしを行うことを可能としたものである。
【０１４１】
この場合も、平行平板と位置決め用の凹部、駆動手段としての電磁石による構成は同様であり、凹部の位置関係を変更することにより、実現することができる。
【０１４２】
図１３〜図１６は垂直方向における画素ずらしを４段階に行う平行平板３の傾斜位置制御を説明するための図である。特徴的な構成は、凹部９１Ｕ‘と、９１Ｄ‘の相対的な位置関係及び凹部の幅の設定にある。
【０１４３】
図１３〜図１６は、それぞれ被写体上の１点に対応する入射光の撮像素子２の撮像面における入射位置を、順次下方へとシフトするための、平行平板の傾斜位置を示している。尚、図４〜図１１の第１の実施形態と同一構成部分似付いては、同一の符号を用いて説明する。
【０１４４】
図１３において、平行平板３の上端のアーマチャ４Ｕが遊嵌されている凹部９１Ｕ‘と下端のアーマチャ４Ｄが遊嵌されている凹部９１Ｄ‘とは、その幅すなわち光軸方向における長さ、及びその位置が互いに異なっている。
【０１４５】
図１３では、上方では、電磁石５Ｕａがオン、電磁石５Ｕｂがオフで、アーマチャ４Ｕが凹部９１Ｕ‘内において、電磁石５Ｕａのヨーク５１Ｕに吸着され、光軸方向前方となる位置規制面９２Ｕ‘に当接されて位置決めされており、下方では、電磁石５Ｄａがオフ、電磁石５Ｄｂがオンで、アーマチャ４Ｄが電磁石５Ｄｂのヨーク５２Ｄに吸着され、光軸方向後方となる位置規制面９３Ｄ‘に当接されて位置決めされている。
【０１４６】
本実施形態においても、図１３の状態で、平行平板３が光軸に対して垂直な位置関係になるように設定されているが、図１３，図１４，図１５，図１６それぞれの傾斜状態は、いずれも絶対的なものではなく、あくまでも、本来は入射されないはずの画像を、平行平板の傾斜角に応じて、入射可能とするものであるから、図１３の状態で、光軸に垂直である必要はない。
【０１４７】
ここで、アーマチャ４Ｕと、凹部９１Ｕ‘の幅とのクリアランスすなわちアーマチャ４Ｕと、凹部９１Ｕ‘内の位置規制面９３Ｕ‘との間隙をｄ１‘、同様にアーマチャ４Ｄと、凹部９１Ｄ‘の幅とのクリアランスすなわちアーマチャ４Ｄと、凹部９１Ｄ‘内の位置規制面９２Ｄ‘との間隙をｄ２‘とし、両者の間には、ｄ２‘＝２ｄ１‘、すなわち間隙ｄ２が間隙ｄ１‘の２倍に設定されている。
【０１４８】
またω１‘は、このとき撮像素子２の撮像面と、平行平板３とのなす角を示している。尚、間隙ｄ１‘、ｄ２‘の設定波高精度に行われる。
【０１４９】
この図１３の状態において、電磁石５Ｕａをオフにして、電磁石５Ｕｂをオンにして励磁すれば、平行平板３の上端のアーマチャ４Ｕが上方の凹部９１Ｕ‘の位置規制面９２Ｕ‘を離れ、位置規制面９３Ｕ‘側へと吸着されて当接し、位置決めがなされ、図１４の状態となる。
【０１５０】
これによって、平行平板３は、その上下端のアーマチャ４Ｕ，４Ｄをそれぞれ凹部９１Ｕ‘内の位置規制面９３Ｕ‘、凹部９１Ｄ‘内の位置規制面９３Ｄ‘によって、その傾斜位置を規制される。すなわち図１３の状態から、同図で見て１段階右に傾斜し、撮像素子２の撮像面上における入射光の受光位置が、撮像面上において、下方にシフトされる。尚、この状態において、撮像面と平行平板とのなす角をω２‘とする。
【０１５１】
この図１４の状態で、上方の凹部９１Ｕ‘の電磁石５Ｕｂをオフ、電磁石５Ｕａをオンすることにより、アーマチャ４Ｕは凹部９１Ｕ‘内の位置規制面９３Ｕ‘を離れ、位置規制面９２Ｕ‘へと吸着されて当接し、位置決めされる。
【０１５２】
また下方の凹部９１Ｄ‘の電磁石５Ｄｂをオフ、電磁石５Ｄａをオンすることにより、平行平板３の下方のアーマチャ４Ｄは、下方凹部９１Ｄ‘内の位置規制面９３Ｄ‘を離れ、位置規制面９２Ｄ‘へと吸着されて当接し、位置決めがなされ、図１５の状態となる。
【０１５３】
これによって、平行平板３は、その上下端のアーマチャ４Ｕ、４Ｄをそれぞれ凹部９１Ｕ‘内の位置規制面９２Ｕ‘、凹部９１Ｄ‘内の位置規制面９２Ｄ‘によって、その傾斜位置を規制される。すなわち図１４の状態から、同図で見てさらに１段階右に傾斜し、撮像素子２の撮像面上における入射光の受光位置が、撮像面上において、さらに下方にシフトされる。尚、この状態において、撮像面と平行平板とのなす角をω３‘とする。
【０１５４】
この状態で、電磁石５Ｕａをオフにして、電磁石５Ｕｂをオンすると、平行平板３の上端のアーマチャ４Ｕが上方凹部９１Ｕ‘の位置規制面９２Ｕ‘を離れ、位置規制面９３Ｕ‘側へと吸着されて当接し、位置決めがなされ、また下端のアーマチャ４Ｄは、凹部９１Ｄ‘の位置規制面９２Ｄ‘に位置決めされ、図１６の状態となる。
【０１５５】
これによって、平行平板３は、図１５の状態から、さらに図で見て右方へと傾斜し、その傾斜角は最大となる。この状態において、撮像面と平行平板とのなす角をω４‘とする。
【０１５６】
以上、図１３〜図１６に示されているように、平行平板３の傾きをω１‘〜ω４‘へと順次変化させることにより、４段階の傾斜角に制御することができ、これによって、被写体からの入射光を撮像面上に対して垂直方向に４個所にシフトすることができる。
【０１５７】
尚、ω１‘〜ω４‘の間は、
（ω２‘−ω１‘）＝（ω３‘−ω２‘）＝（ω４‘−ω３‘）＝一定
の関係が保たれるよう、設定されており、撮像面上において、平行平板３の傾斜によって変化する入射光の入射位置が、撮像面上において等間隔にシフトされることを示している。
【０１５８】
そして、本実施形態では、その１段階のシフト量が，撮像素子の画素間隔の半分の距離となるように、各凹部９１Ｕ‘，９１Ｄ‘内のアーマチャとの間のクリアランスｄ１‘、ｄ２‘が設定されている。ｄ１‘，ｄ２‘は、平行平板の傾斜角を決定するものであるから、撮像素子の画素間隔、あるいはシフト量に応じて変更される。
【０１５９】
また本実施形態においても、平行平板３の両端部のアーマチャの、凹部内の位置規制面と接する部分を円筒形状の円筒部材としているので、位置規制面上において、円筒形アーマチャの当接する位置が、平行平板の長手方向にずれても、平行平板の傾斜角が変化せず、撮像素子の撮像面における入射光の入射位置は変化しない。
【０１６０】
各傾斜角ごとに入射光の入射位置を撮像面の画素間隔の半分の距離すなわち半画素ピッチでシフトするように平行平板の傾きを設定することによって、実際の撮像素子の垂直方向の画素数の実質的に４倍の画素数を得ることができる。
【０１６１】
そして、平行平板３の各傾斜位置ごとに、撮像素子にて撮像された４枚の画像をメモリに順次記憶し、メモリから読み出す際に、４枚の画像の各画素の読み出し順序を制御することにより、１枚の高画質画像に合成することができるわけである。
【０１６２】
以上は、撮像面上における垂直方向における画素ずらしを説明するものであるが、前述のように、本発明における実施形態では、このような画素ずらし機構を水平方向にも備えているため、水平方向においても画素ずらしを行い、撮像素子の画素数を実質的に４倍にすることができ、トータルで１６倍の画素数を得ることができる。
【０１６３】
図１７〜図２０は、水平方向における画素ずらしを、水平方向における平行平板６の傾斜角を順次変更することによって行う動作を説明するものである。
【０１６４】
この水平方向における画素ずらし機構の構成及び動作原理は、上述の図１３〜図１６に示す垂直方向における画素ずらし機構と同一であるので、詳細な説明は省略する。
【０１６５】
尚、平行平板６の傾斜角は、それぞれ平行平板の左右端部に取り付けられたアーマチャ７Ｌ、７Ｒの遊嵌されている左右の凹部９１Ｌ‘，９１Ｒ‘の位置規制面９２Ｌ‘，９３Ｌ‘、９２Ｒ‘，９３Ｒ‘によって決定され、凹部９１Ｌ‘の幅と、アーマチャ７Ｌとの間のクリアランスをｄ３、凹部９１Ｒの幅とアーマチャ７Ｒとの間のクリアランスをｄ４とし、本実施形態では、ｄ４‘＝２ｄ３‘の関係に設定されている。
【０１６６】
そして、図１７，図１８，図１９，図２０の順に、平行平板６の傾斜角を大きくし、撮像面と平行平板の間のなす角を、ω５‘、ω６‘、ω７‘、ω８‘と、段階的に変化させる（大きくしていく）ことにより、水平方向においても、撮像面上において、等間隔に画素ずらしが行われる。
【０１６７】
尚、ω５‘〜ω８‘の間は、
（ω６‘−ω５‘）＝（ω７‘−ω６‘）＝（ω８‘−ω７‘）＝一定
の関係が保たれるよう、設定されている。
【０１６８】
本実施形態では、その１段階のシフト量が，撮像素子の水平方向における画素間隔の半分の距離となるように、各凹部９１Ｌ‘，９１Ｒ‘内のアーマチャとの間のクリアランスｄ３‘、ｄ４‘が設定されている。ｄ３‘，ｄ４‘は、平行平板の傾斜角を決定するものであるから、撮像素子の画素間隔、あるいはシフト量に応じて変更される。
【０１６９】
尚、上述の図１３〜図１６、図１７〜図２０とも、順次平行平板の傾斜角が大きくなるように変化させているが、各傾斜位置ごとに、画像を撮像してメモリに記憶し、後の処理で合成するので、平行平板の傾斜角の順序は、どのように行ってもかまわない。
【０１７０】
すなわち図１３〜図１６、図１７〜図２０の順序は、図に示す通りである必要はなく、任意の順序でよく、各電磁石を制御して、垂直方向に４画面、垂直方向に４画面の合計１６画面を撮像すれば、その順序は任意でよい。
【０１７１】
また、垂直方向の画素ずらし機構と、水平方向の画素ずらし機構は、独立しているので、両者の間の制御の画素ずらしの方向及び順序も任意でよい。ただし１枚の画像の撮像中は、いずれの平行平板も静止させておかなければならないことは、いうまでもない。
【０１７２】
図２１は、図１３〜図２０に示す平行平板の４つの状態に対応する、撮像面上における入射光の入射位置の変化を、画素単位で示したものである。
【０１７３】
図２１において、図１３〜図１６の各状態を、それぞれ（１）（２）（３）（４）に概念的に示す。平行平板３の傾きを順次変化させることにより、本来なら入射光の撮像面に対する一点にのみ入射されるはずの入射光の入射位置を４個所に変化させることができ、撮像素子の撮像面内における各画素に、垂直方向において、画素間を含む４個所の光速を入射させることができる。
【０１７４】
言い換えれば、本来、撮像面内の各画素間の不感帯や、他の画素に入射される画像上方を受光することができ、結果として、撮像素子の画素数を増加させたのと同じ効果を得ることができるものである。
【０１７５】
図２１において、２ａは撮像素子２の撮像面を示している。撮像面上には、色フィルタが配されており、色フィルタは、Ｃｙ（シアン）、Ｙｅ（イエロー）、Ｇ（グリーン）、Ｍｇ（マゼンタ）の画素を図に示すように配列したものであり、これら４つの画素で、カラー撮像の場合の１画素を構成する。
【０１７６】
垂直方向について見ると、平行平板の光軸に対する傾斜角を可変することにより、同じ位置に入射される光束が、同図で見れば、各画素間の本来なら画素のない位置に相当する垂直方向の４個所に順次シフトされる。すなわち、撮像素子の画素側から見ると、各画素毎に、本来なら画素の間で、画像情報を得ることができない位置における画像情報を撮像することができるわけである。
【０１７７】
また、本発明によれば、同じ色の画素に重なることなく垂直方向４個所、水平方向４個所に画素シフトを行うため、同図中Ａに示すように、単純には、撮像素子の画素数を実質的に４×４＝１６倍にすることができる。仮に撮像素子の画素数が１３０万画素であったとしたら、垂直方向、水平方向の一方のみ本発明の画素ずらしシステムを適用すれば、１３０×４＝５２０万画素の撮像素子で撮像したのと同じ高画質画像を得ることができる。
【０１７８】
したがって垂直、水平方向の両方向について行えば、さらに５２０×４＝２０８０万画素相当の画質画像を得ることができる。
【０１７９】
（本発明における第３の実施形態）
次に、本発明における画素ずらしシステムの第３の実施形態を示すものである。
【０１８０】
本実施形態の特徴は、上述の第１の実施形態に対して、平行平板を駆動する電磁石からなる駆動系を簡素化するとともに、消費電力を減少させることにある。
【０１８１】
図２２は、本実施形態の主要部を示すもので、同図（ａ）は光軸方向前方から見た正面図、同図（ｂ）は上方から見た上面図である。
【０１８２】
各図において、第１の実施形態と異なるのは、電磁石の一部が省略され、バネに置き換えられていることである。同図において、第１の実施形態と同一構成部分については、同一の符号を用い、その説明を省略する。
【０１８３】
すなわち図１で見て、電磁石５Ｕａ，５Ｄａ，８Ｌａ，８Ｒａが除去され、それぞれバネが配され、平行平板を光軸方向前方へと付勢している。
【０１８４】
すなわち、これらのバネが、電磁石５Ｕａ，５Ｄａ，８Ｌａ，８Ｒａの吸引力になり、バネに抗する方向における平行平板の移動を、電磁石５Ｕｂ，５Ｕｂ，８Ｌｂ，８Ｒｂの駆動により、磁気的な吸引力によって、バネに抗して行うようにしたものである。これによって、第１の実施形態において、８個設けられていた電磁石を、半数の４個に削減することができる。
【０１８５】
図２２（ｂ）では、水平方向の平行平板のアーマチャ７Ｌ，７Ｒをそれぞれ光軸方向前方に引張するバネ１０Ｌ，１０Ｒが、電磁石８Ｌａ，８Ｒａの代わりに設けられている。
【０１８６】
他のバネについては、図示されていないが、図１において、電磁石５Ｕａ，５Ｄａ，８Ｌａ，８Ｒａの代わりにバネが配されているものであり、その構成は同図から明らかである。
【０１８７】
尚、平行平板３による垂直方向における画素ずらし動作、平行平板６による水平方向における画素ずらし動作については、上述した第１，第２の実施形態において、図４〜図１１、図１３〜図１６、図１７〜図２０を用いて説明した通りであり、さらなる説明は省略する。
【０１８８】
本発明における画素ずらしシステムの構成及び動作は、以上述べた通りであるが、ここでこのような画素すらしシステムが、実際にレンズ鏡等またはカメラ本体に組み込む場合の構成について、説明する。
【０１８９】
図２３は、本発明の第１（第２）の実施形態である画素ずらし機構を組み込んでユニット化した画素ずらしユニットの分解斜視図である。
【０１９０】
同図おいて、９、９‘は、各電磁石及び平行平板を支持する筐体であり、それぞれ光軸方向前後に分割され、光軸の部分には、入射光を通過させる開口が形成されている。
【０１９１】
後部筐体９の開口部９ａの周囲における、前部筐体９‘と対向する接合面の所定位置には、各電磁石５Ｕｂ，５Ｄｂ，８Ｌｂ，８Ｒｂが配されており、それぞれ垂直方向、水平方向における平行平板３、６の配される凹部９１Ｕ，９１Ｄ，９１Ｌ、９１Ｒのそれぞれ位置規制面９３Ｕ，９３Ｄ，９３Ｌ，９３Ｒ側が形成されている。
【０１９２】
そして各平行平板３、６のアーマチャ４Ｕ，４Ｄ，７Ｌ，７Ｒに対向する位置には、それぞれ電磁石５Ｕｂ，５Ｄｂ，８Ｌｂ，８Ｒｂのアーマチャ５２Ｕ，５２Ｄ，８２Ｌ，８２Ｒが露出するように設けられている。
【０１９３】
一方、後部筐体９に対向する前部筐体９‘側には、電磁石５Ｕｂ，５Ｄｂ，８Ｌｂ，８Ｒｂに対向して、電磁石５Ｕａ，５Ｄａ，８Ｌａ，８Ｒａが配されており、また凹部９１Ｕ，９１Ｄ，９１Ｌ、９１Ｒのそれぞれ位置規制面９２Ｕ，９２Ｄ，９２Ｌ，９２Ｒ側が形成されている。
【０１９４】
したがって、前部筐体９‘と後部筐体９を結合することによって、垂直方向、水平方向の各平行平板３、６及びこれらの平行平板の位置を制御するための電磁石を図１〜図１１、図１３〜図２０に示すように支持することができる。
【０１９５】
図２４は、さらにこの画素ずらしユニットをカメラに組み込んだ場合を示す側断面図である。
【０１９６】
同図において、２００はレンズ鏡筒で、その内部には、撮影レンズ光学系１が配されている。そしてレンズ鏡筒２００のマウント部分には、図２３に示す画素ずらしユニットが配されている。
【０１９７】
画素ずらしユニットは、前部筐体９‘、後部筐体９からなっており、図から明らかなように、入射光の空間周波数を制限するＬＰＦ（光学ローパスフィルタ）２０２、水平方向の平行平板６、垂直方向の平行平板３、ＬＰＦ（光学ローパスフィルタ）２０３が順次配され、その後部には、撮像素子２が配されている。２ａは撮像素子２の有効撮像面（撮像範囲）、２ｂは撮像面も封止ガラスである。
【０１９８】
また赤外線カットフィルタは、たとえば平行平板３あるいは６の表面にコーティングによって配することができる。
【０１９９】
またＬＰＦ２０２と２０３は、両者のコンビネーションによって入射光の空間周波数の帯域制限を行うことにより、折り返しによるモアレ等を除去するものであるが、ＬＰＦ２０３を回動自在とし、その回動によって、入射光の波長を回転させることにより、ＬＰＦの効果をキャンセルすることができるようになっている。
【０２００】
したがって、特に高画質の撮像を行うためにＬＰＦによる帯域制限を外す必要がある場合には、ＬＰＦをカメラから着脱することなく、回転させるだけで実現することができる。この２つの光学ローパスフィルタを相対的に回転させて、そのローパス機能をキャンセルする構成及びその動作内容については、特開平７−２４５７６２号公報に詳細に記載されているため、ここでの説明は省略する。
【０２０１】
次に、上記の画素ずらし機構を駆動する回路について、図２５を用いて説明する。
【０２０２】
同図において、１は撮像レンズ光学系、２は撮像素子で、それらの間の空間には、画素ずらしユニットが配されている。
【０２０３】
撮像素子２より出力された撮像信号は、メモリ３０１に格納され、メモリから読み出された画像データは、カメラプロセス回路３０２に供給されて輝度信号と、色信号が生成され、記録再生系３０６へと供給され、図示しない記録媒体に記録される。
【０２０４】
また表示制御回路３０４へと供給し、モニタに表示可能な信号形式に変換した後、モニタディスプレイ３０５へと表示する。
【０２０５】
またデジタル画像信号のまま、パソコン等に供給するように、デジタル画像出力ＤＯから、外部機器に出力してもよい。
【０２０６】
こもように構成された画像処理回路は、マイクロコンピュータで構成されたシステムコントロール回路３０７によって制御される。
【０２０７】
すなわち画素ずらしユニットを制御して、垂直方向及び水平方向に順次平行平板を制御して画素ずらしを行う。
【０２０８】
本発明の実施の形態では、システムコントロール回路３０７によって、たとえば平行平板３を制御して垂直方向に４段階に画素ずらしを行い、その各段階ごとに、平行平板６を制御して水平方向における画素ずらしを４段階に行い、垂直方向に４段階、水平方向に４段階の合計１６枚の画像を取込むことができる。
【０２０９】
これらの各画像は、メモリコントローラ３０３でメモリ３０１を制御することにより順次記憶され、メモリ３０１に全画像を取込んだ段階で、順次画素単位で読み出しを制御し、各画像を１枚の画像に合成しながら読み出し、カメラプロセス回路３０２に供給し、輝度信号処理、色信号処理を行い、高画質の画像信号を得ることができる。
【０２１０】
尚、このカメラプロセスを行わずに、パソコン等の外部機器へと出力し、外部機器側で各種画像処理を行うようにしてもよい。
【０２１１】
以上の処理により、撮像素子の実際の画素数よりもはるかに画素数の多い撮像素子で撮像したのと等価の高画質の撮像を行うことができる。
【０２１２】
上述のように、本発明の各実施の形態における画素ずらしシステムによれば、画素ずらしシステムにおける駆動源を、モーターから電磁石等の電磁駆動手段に、位置制御手段を複雑なカム等の機構から、突き当て空間にするとともに、その位置制御の為の突き当て空間の大きさを異ならせることによって、平行平板等の画素ずらし用光学素子の傾斜位置を制御し、寸法精度を確保しなければならない部材を極限まで少なくし、さらに光学素子の傾斜位置制御の為の特定の支持軸を排除することにより、制御方法の簡素化、高速化が可能な機構、しかも簡素な機構で、安定した数箇所の光学的位置を得ることが可能な、画素ずらしシステムを実現することができる。
【０２１３】
【発明の効果】
以上述べたように、極めて高い位置決め精度を得ることが出来る。
【０２２０】
また本願における請求項１１に記載の発明によれば、前記駆動手段を、前記規制面ごとに設けられた複数の電磁石で構成したので、電磁石のオン、オフを制御するだけの簡単な構成で、高速に前記光学部材の傾斜位置を変更することができる。
【０２２１】
また本願における請求項１２に記載の発明によれば、前記駆動手段を、弾性部材と電磁石とで構成したので、さらに構成の簡略化が可能となる。
【０２２２】
また本願における請求項１３，１４に記載の発明によれば、上記の光学素子を光路内に複数個配することにより、さらに画素シフト量の段階を増加させることができ、また１段のシフト量も微小に制御することができ、シフト方向も可変することができる。
【０２２３】
すなわち前記光学素子として、前記撮像面への入射光の入射位置を垂直方向にシフトする垂直方向光学素子と、水平方向にシフトする水平方向光学素子とから構成したので、垂直、水平の両方向における画素ずらし、すなわち高画質化を図ることができる。
【０２２４】
また本願における請求項１５に記載の発明によれば、光学素子として平行平板を用いたので、簡単な構成で、撮像素子を移動したりする大掛かりな構成を用いることなく、高精度の画素ずらしが可能となる。
【０２２５】
また本願における請求項１６に記載の発明によれば、撮像面上における入射光の入射位置をシフトする光学素子の両端部にそれぞれ当接して、その各端部の光軸方向における移動範囲をそれぞれ規制する位置規制面を形成することにより、基本的には、光学素子を位置規制面に当接させるだけの簡単な機構により、画素シフト動作を可能とすることができる。
【０２２６】
前記光学素子の端部の当接する規制面の組み合わせを変更することにより、前記光学素子を複数の傾斜角に制御可能とするようにしたので、光学素子の当接させる規制面の組み合わせを変更するだけで、光学素子の傾斜角を複数段階に制御することができ、極めて簡単な構成、高速、高精度の画素ずらしを行うことができる。
【０２２７】
また光学素子を直接位置規制面に当接させて位置決めを行うようにしたことにより、簡単な構成であるにもかかわらず、極めて高い位置決め精度を得ることができるとともに、極めて高速の画素ずらし撮像動作が可能となる。
【０２２８】
またこれによって、従来光学素子を支持するための複雑なジンバルのような機構、光学素子の傾斜位置を制御するためのカム等の複雑な機構が不要となり、低コスト化が図れ、スペース的にも有利になる。
【０２２９】
また本願における請求項１７〜２３に記載の発明によれば、前記位置規制面を前記光学素子の各端部に対し、その光軸方向前後に形成し、その前記光学素子の端部の当接する位置規制面の組み合わせを変更することにより、前記光学素子を複数の傾斜角に制御可能となし、且つ光学素子の各端部における移動量及びその移動量の比を適宜変更することにより、光学素子の傾斜角を種々制御することが可能となり（請求項１８〜２０では、光学素子の両端部の移動量を等しくすることによって３段階、請求項２１〜２３では、光学素子の各端部の移動量を異ならせることによって４段階の傾斜角が可能）、極めて簡単な構成、高速、高精度の画素ずらしを行うことができる。
【０２４１】
また本願における請求項３１〜３７に記載の発明によれば、前記凹部の前記光軸方向における位置、長さの選択によって学素子の各端部における移動量及びその移動量の比を適宜変更することにより、前記光学素子の傾斜角及びその段階数、さらに傾斜角の変化量等を適宜選択することができ、その前記光学素子の端部の当接する位置規制部の組み合わせを変更することにより、前記光学素子の傾斜角を種々制御することが可能となる（請求項３３では、光学素子の両端部の移動量を等しくすることによって３段階、請求項３６では、光学素子の各端部の移動量を異ならせることによって４段階の傾斜角が可能）。
【０２４２】
また本願における請求項３８、３９に記載の発明によれば、前記位置規制部と当接する前記光学素子の両端部に、それぞれ前記規制面と線接触あるいは点接触する係合部を設けたので、光学素子（平行平板）の係合部の前記規制面内における係合位置が変化し、撮像面と平行な平面内において位置ずれを生じても、傾斜角が一定となり、画素のシフト量に影響を及ぼすことがない。
【０２４３】
また、線接触の円筒部材（点接触なら複数個）等を用いることにより、規制面に対する円筒部材の長手方向における傾きを生じることがなく、高精度の位置決めが可能となる。
【０２４４】
また本願における請求項４０に記載の発明によれば，前記駆動手段を、前記光学素子を前記光軸方向前後に駆動する複数の電磁石によって構成し、電磁石のオン、オフを制御することにより、前記光学素子の当接する規制面を変更し得るように構成したので、簡単な構成で、高速、高精度の画素ずらしを行うことができる。
【０２４５】
また本願における請求項４１に記載の発明によれば、前記駆動手段を、弾性部材と電磁石とで構成したので、さらに構成の簡略化が可能となる。
【０２４６】
また本願における請求項４２，４３に記載の発明によれば、上記の光学素子を光路内に複数個配することにより、さらに画素シフト量の段階を増加させることができ、また１段のシフト量も微小に制御することができ、シフト方向も可変することができる。
【０２４７】
すなわち前記光学素子として、前記撮像面への入射光の入射位置を垂直方向にシフトする垂直方向光学素子と、水平方向にシフトする水平方向光学素子とから構成したので、垂直、水平の両方向における画素ずらし、すなわち高画質化を図ることができる。
【０２４８】
また本願における請求項４４に記載の発明によれば、光学素子として平行平板を用いたので、簡単な構成で、撮像素子を移動したりする大掛かりな構成を用いることなく、高精度の画素ずらしが可能となる。
【０２４９】
また本願における請求項４５〜４８に記載の発明によれば、撮像面上における入射光の入射位置をシフトする光学素子の両端部に光軸方向における移動位置を規制する複数の規制部を形成し、各規制部に前記光学素子を当接することによって、前記光学素子の傾斜位置を制御するようにしたので、基本的には、光学素子を規制部に当接するだけの簡単な機構により、画素ずらし動作が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における第１の実施の形態における画素ずらしシステムの構成及び動作原理を説明するための斜視図である。
【図２】本発明における第１の実施の形態における画素ずらしシステムの構成及び動作原理を説明するための図である。
【図３】本発明における第１の実施の形態における画素ずらしシステムの構成及び動作原理を説明するための図である。
【図４】本発明における第１の実施の形態の画素ずらしシステムの垂直方向における画素ずらし動作を説明するための図である。
【図５】本発明における第１の実施の形態の画素ずらしシステムの垂直方向における画素ずらし動作を説明するための図である。
【図６】本発明における第１の実施の形態の画素ずらしシステムの垂直方向における画素ずらし動作を説明するための図である。
【図７】本発明における第１の実施の形態の画素ずらしシステムの垂直方向における画素ずらし動作を説明するための図である。
【図８】本発明における第１の実施の形態の画素ずらしシステムの水平方向における画素ずらし動作を説明するための図である。
【図９】本発明における第１の実施の形態の画素ずらしシステムの水平方向における画素ずらし動作を説明するための図である。
【図１０】本発明における第１の実施の形態の画素ずらしシステムの水平方向における画素ずらし動作を説明するための図である。
【図１１】本発明における第１の実施の形態の画素ずらしシステムの水平方向における画素ずらし動作を説明するための図である。
【図１２】本発明における第１の実施の形態の画素ずらしシステムの画素ずらし動作を説明するための図である。
【図１３】本発明における第２の実施の形態の画素ずらしシステムの垂直方向における画素ずらし動作を説明するための図である。
【図１４】本発明における第２の実施の形態の画素ずらしシステムの垂直方向における画素ずらし動作を説明するための図である。
【図１５】本発明における第２の実施の形態の画素ずらしシステムの垂直方向における画素ずらし動作を説明するための図である。
【図１６】本発明における第２の実施の形態の画素ずらしシステムの垂直方向における画素ずらし動作を説明するための図である。
【図１７】本発明における第２の実施の形態の画素ずらしシステムの水平方向における画素ずらし動作を説明するための図である。
【図１８】本発明における第２の実施の形態の画素ずらしシステムの水平方向における画素ずらし動作を説明するための図である。
【図１９】本発明における第２の実施の形態の画素ずらしシステムの水平方向における画素ずらし動作を説明するための図である。
【図２０】本発明における第２の実施の形態の画素ずらしシステムの水平方向における画素ずらし動作を説明するための図である。
【図２１】本発明における第２の実施の形態の動作を示す図である。
【図２２】本発明における第３の実施の形態の構成を示す図である。
【図２３】本発明の実施の形態における画素ずらしシステムをユニット化した場合の構成を示す斜視図である。
【図２４】本発明の実施の形態における画素ずらしシステムのユニットを実際にカメラに組み込んだ場合の構成を示す図である。
【図２５】本発明の実施の形態における画素ずらしシステムを用いて撮像するための回路構成を示すブロック図である。
【図２６】画素ずらしの原理を説明するための図である。
【符号の説明】
１ 撮像レンズ
２ 撮像素子
３ 平行平板（垂直方向）
４ アーマチャ（係合部）
５Ｕａ 電磁石
５Ｕｂ 電磁石
５Ｄａ 電磁石
５Ｄｂ 電磁石
６ 平行平板（水平方向）
７ アーマチャ（係合部）
８Ｌａ 電磁石
８Ｌｂ 電磁石
８Ｒａ 電磁石
８Ｒｂ 電磁石
９ 画素ずらしシステム筐体
９‘ 画素ずらしシステム筐体
１０Ｌ バネ
１０Ｒ バネ
９１Ｕ 凹部
９１Ｄ 凹部
９１Ｌ 凹部
９１Ｒ 凹部
９１Ｕ‘ 凹部
９１Ｄ‘ 凹部
９１Ｌ‘ 凹部
９１Ｒ‘ 凹部
９２Ｕ 位置規制面（部）
９２Ｄ 位置規制面（部）
９２Ｌ 位置規制面（部）
９２Ｒ 位置規制面（部）
９２Ｕ‘ 位置規制面（部）
９２Ｄ‘ 位置規制面（部）
９２Ｌ‘ 位置規制面（部）
９２Ｒ‘ 位置規制面（部）
９３Ｕ 位置規制面（部）
９３Ｄ 位置規制面（部）
９３Ｌ 位置規制面（部）
９３Ｒ 位置規制面（部）
９３Ｕ‘ 位置規制面（部）
９３Ｄ‘ 位置規制面（部）
９３Ｌ‘ 位置規制面（部）
９３Ｒ‘ 位置規制面（部）
１００ 被写体
２００ レンズ鏡筒[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an imaging apparatus capable of inputting a substantially high-quality image by slightly changing the optical angle of a parallel plate glass or a reflecting mirror provided in an optical path of an imaging system.
[0002]
[Prior art]
In recent years, image input devices such as video cameras and scanners have made remarkable progress, and there has been a strong demand for higher image quality and higher resolution. However, increasing the number of pixels of the image sensor itself is a factor of sensitivity and S / N. There are many problems such as performance problems such as reduction, high cost due to a decrease in manufacturing yield, and high cost of a crystal low-pass filter for preventing false signals and the like.
[0003]
Therefore, as a technique to improve the image quality and resolution of the image pickup device without increasing the number of pixels of the image pickup device itself, a reflecting mirror is arranged in the optical path in the optical relay space between the lens group and the image pickup device. By changing the reflection angle, or by arranging a parallel plate-shaped light transmission glass in the optical path and using the light refraction, the light incident angle to the light transmission glass and the thickness of the glass can be changed. The optical image information that has reached the dead zone between the photosensitive part of the image sensor is guided to the photosensitive part to obtain optical image information sequentially, or by substantially vibrating the image sensor itself. There is known a so-called “pixel shift” that makes it possible to obtain an image with a high resolution equivalent to an increase in the number of pixels of an image sensor.
[0004]
According to this technique, high-quality imaging can be performed without increasing the number of pixels of the imaging element itself, so that the image input apparatus is an extremely effective technique for increasing the resolution.
[0005]
As specific examples of pixel shifting using the above principle, for example, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 59-15378, a parallel plate is rotated around an axis parallel to a pixel row, or As shown in JP-A-121816, the parallel flat plate surface is tilted and rotated around the optical axis, or the X and Y axes are provided as in Japanese Utility Model Laid-open No. 6-8937, and the cam is driven by a motor. There are things that change the slope.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional mechanism example using the parallel plate light transmission glass, a motor is used as a driving source for changing the optical position, and a complicated and expensive mechanism such as position control by a cam is used. It is difficult to ensure the positioning accuracy, and it is also difficult to increase the driving speed.
[0007]
Further, if a motor, a cam, a mechanism for transmitting the driving force of the motor to the cam, and these two systems in the horizontal direction and the vertical direction are provided, the apparatus will inevitably increase in size, and between the lens group and the image sensor. There are a number of problems such as difficulty in arranging the space itself.
[0008]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve these problems and provide an imaging device and an optical device having a simple configuration and a pixel shifting system that can be driven at high speed.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and includes an optical element that shifts an incident position of incident light on an imaging plane, and each of the optical elements. end A plurality of restricting portions for controlling an inclination position of the optical element with respect to the optical axis, and driving the optical element to abut on the restricting portion. Driving means, and the restricting portion has a position restricting surface formed in the front and rear direction of the optical axis across each end of the optical element, and the optical element is formed by the position restricting surface. By restricting the position of each end in the optical axis direction, the inclination angle with respect to the optical axis direction is determined, and by changing the combination of the position restricting surfaces with which the end of the optical element abuts, the optical The element is configured to be controllable to a plurality of inclination angles, and the driving means includes a plurality of electromagnets configured by yokes and armatures provided for the position restricting surfaces, and each of the electromagnets By controlling the down-off, by selecting the position regulating surface that abuts against the optical member, is configured to change the inclined position of the optical member, The end of the optical element is an armature, and the restricting portion has a clearance in the front and rear direction in the optical axis direction with respect to the loosely fitted armature An optical device is provided.
[0061]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of an imaging apparatus according to the present invention will be described.
[0062]
First, the operation principle of “pixel shifting” that enables a high-quality image to be captured by shifting the incident position of incident light on the imaging surface of the imaging element in units of pixels will be described.
[0063]
The principle of optical path shifting using the light refraction of the parallel plate light transmission glass will be described with reference to FIG. FIG. 4A shows a state before the optical path is shifted, and FIG. 4B shows a state after the optical path is shifted.
[0064]
In FIGS. 2A and 2B, 100 is an object to be imaged, such as a document, 102 is an imaging lens group, 103 is tiltable with respect to the optical axis of the optical system, and has a uniform refractive index. An optical element 104, which is a light beam moving means made of a parallel plate-like light-transmitting substance, and an imaging means for photoelectrically converting incident light from the subject 100 imaged by the lens group 102 and outputting an imaging signal. Solid-state imaging device such as CCD.
[0065]
In FIG. 26A, light from a certain point 101a on the subject 100 passes through the lens group 102 and the optical element 103 and enters the light receiving unit 104a of the solid-state image sensor 104, and is photoelectrically converted as effective data.
[0066]
On the other hand, light from a certain point 101b on the subject 100 passes through the lens group 102 and the optical element 103 and enters the dead zone 104b between the light receiving portions of the solid-state image sensor 104, but is not subjected to photoelectric conversion and becomes invalid data.
[0067]
Here, δ1 is the shift amount of the direction in which light enters the optical element 103 and the refraction direction when the light exits from the optical element 103, and the angle between the incident light and the normal of the incident surface of the optical element 103 Is θ1, the thickness of the optical element 103 is t, and the refractive index of the optical element 103 is N,
δ1 = (1-1 / N) · t · θ1
It becomes.
[0068]
The angle made with the imaging surface of the solid-state imaging device at this time is set as ω1 for convenience.
[0069]
FIG. 26B shows a state where the optical element 103 is changed by an angle of ω = (ω2−ω1).
[0070]
In FIG. 26B, δ2 is the amount of shift in the refraction direction of the light incident on the optical element 103 and the light emitted from the optical element 103, and the normal of the incident light and the incident surface of the optical element 103 Is θ2, the thickness of the optical element 103 is t, and the refractive index of the optical element 103 is N.
δ2 = (1-1 / N) · t · θ2
It becomes.
[0071]
Here, the shift δ of the optical path emitted to the solid-state imaging device 104 when the state of FIG.

So, after all
δ = (1-1 / N) · t · ω
It becomes.
[0072]
Here, in FIG. 26A, the light information from one point 1b of the imaging target object 1 enters the dead zone 104b of the solid-state image sensor 104 and becomes invalid data. By changing the state, light information from one point 1b of the subject 100 enters the photosensitive portion 104c of the solid-state image sensor 104 and can be used as effective data.
[0073]
If the image data captured in the state of FIG. 26 (a) and the image data captured in the state of FIG. 26 (b) are collected on the memory and the data is synthesized with the phase corrected, the number of pixels is doubled. The same amount of data can be obtained.
[0074]
Using the principle as described above, if the optical element 103 is stopped at several inclined positions and the optical information received by the image sensor 104 is taken in each time, image information several times the number of the imaged photosensitive parts can be obtained. it can.
[0075]
The basic principle of “pixel shifting” itself is as described above. Next, an embodiment of the present invention will be described.
[0076]
(First Embodiment of the Invention)
The present invention includes a horizontal shift mechanism including a parallel plate glass for shifting a light beam incident through a photographing lens between a photographing lens and an imaging element (CCD) in a horizontal direction on an imaging surface of the imaging element; And a vertical shift mechanism including parallel flat glass for shifting in the vertical direction.
[0077]
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a pixel shifting system in an imaging apparatus of the present invention. In FIG. 1, 1 is an imaging lens unit as an optical system, and 2 is an imaging element such as a CCD as imaging means. Reference numeral 3 denotes a transmission parallel made of glass or plastic as an optical element that shifts the light beam incident through the photographing lens unit 1 in the vertical direction (vertical direction) on the imaging surface (imaging surface) of the imaging element 2. A flat glass (hereinafter referred to as a parallel plate) is provided with armatures 4U and 4D made of electromagnetic soft iron as engaging portions at both ends thereof, and optical elements are driven in front and rear of each armature 4U and 4D in the optical axis direction. Electromagnets 5Ua, 5Ub, 5Da, and 5Db are arranged as drive means (electromagnetic drive means) for controlling each of these electromagnets, controlling the driving state of the electromagnets and controlling the inclined state of the parallel plate 3, and rotating in the direction of arrow V By doing so, the incident position of the light beam on the imaging surface can be shifted up and down in the vertical direction.
[0078]
The electromagnet 5Ua includes a yoke 51U and a coil 53U, and the electromagnet 5Ub includes a yoke 52U and a coil 54U. By controlling the energization of the coils of these electromagnets, (electromagnetic) driving means is configured to move the armature 4U at the upper end of the parallel plate 3 back and forth.
[0079]
The electromagnet 5Da includes a yoke 51D and a coil 53D, and the electromagnet 5Db includes a yoke 52D and a coil 54D. By controlling the energization of the coils of these electromagnets, an electromagnetic driving means for moving the armature 4D at the lower end of the parallel plate 3 back and forth is configured.
[0080]
By turning on and off these electromagnets 5Ua, 5Ub, 5Da, and 5Db, the upper and lower portions of the parallel plate 3 are moved back and forth in the optical axis direction to change the inclination angle thereof, and pass through the parallel plate 3 to pass through the image sensor. The incident position of incident light incident on the imaging surface can be shifted in the vertical direction (up and down) with respect to the optical axis direction.
[0081]
On the other hand, 6 is a parallel plate glass (hereinafter referred to as a parallel plate) that shifts a light beam incident through the photographing lens 1 in the horizontal direction on the imaging surface, and electromagnetic soft iron as an engaging portion at each of both ends thereof. Armatures 7L, 7R are arranged, and electromagnets 8La, 8Lb, 8Ra, 8Rb are arranged in front and rear of the armatures 7L, 7R in the optical axis direction, respectively. The incident position of the light beam on the imaging surface can be shifted left and right in the horizontal direction by controlling the tilt state and rotating in the arrow H direction.
[0082]
The electromagnet 8La includes a yoke 81L and a coil 83L, and the electromagnet 8Lb includes a yoke 82L and a coil 84L. By controlling the energization of the coils of these electromagnets, an (electromagnetic) driving means for moving the armature 7L at the left end of the parallel plate 6 back and forth is configured.
[0083]
The electromagnet 8Ra includes a yoke 81R and a coil 83R, and the electromagnet 8Rb includes a yoke 82R and a coil 84R. By controlling the energization of the coils of these electromagnets, an electromagnetic driving means for moving the armature 7R at the right end of the parallel plate 6 back and forth is configured.
[0084]
By controlling the on / off of these electromagnets 8La, 8Lb, 8Ra, 8Rb, the left and right parts of the parallel plate 6 are moved back and forth in the optical axis direction to change the tilt angle, and pass through the parallel plate 6 to take an image. The incident position of incident light incident on the imaging surface of the element can be shifted in the horizontal direction (left and right) with respect to the optical axis direction.
[0085]
These two parallel flat plates 3 and 6 in the vertical and horizontal directions are inclined in the vertical and horizontal directions in the space between the photographic lens 1 and the image sensor 2, respectively, and the imaging surface of the light flux that has passed through the photographic lens. By shifting the incident position in the vertical and horizontal directions at a pitch smaller than the pixel interval of the image sensor, an image incident between the pixels of the image sensor can be captured, and the actual number of pixels of the image sensor It is possible to realize a high image quality equivalent to that obtained by imaging with an imaging element having a larger number of pixels.
[0086]
The detailed configuration and operation of the pixel shifting system of the present invention will be described below with reference to FIGS.
[0087]
FIG. 2 illustrates the configuration of the parallel plate 3 that performs pixel shifting in the vertical direction.
[0088]
Since the pixel shifting system of the present invention is disposed between the photographic lens 1 and the image sensor 2, if the camera is taken as an example, it is disposed in the lens unit or the camera body.
[0089]
FIGS. 2A and 2B show the parallel plate 3 as viewed from the front, that is, the incident direction of light and the right side, respectively. As shown in FIG. Is positioned in front of the imaging surface of the imaging device 2 and has a size that covers the entire imaging surface.
[0090]
The parallel plate 3 has upper and lower armatures 4U and 4D formed on the lens unit or the camera body side.
[0091]
In FIG. 2B, the parallel flat plate 3 is in a state in which electromagnetic soft irons arranged at both ends thereof are loosely fitted in recesses 91U and 91D formed in the casing, that is, in the front-rear direction and the up-down direction. It is held with clearance.
[0092]
The recesses 91U and 91D are each extended to a length substantially the same as the width of the parallel plate in the direction perpendicular to the paper surface, and the electromagnetic soft iron armatures 4U and 4D at both ends of the parallel plate 3 are connected to the inner surfaces 92U, 93U and 92D of the recess. , 93D to form a columnar cylindrical member so as to be in line contact when abutting against the regulating surface in the recess, and the tilt of the parallel plate 3 in the tilt direction can be regulated. Further, as a method for obtaining the same effect as the line contact by the cylindrical shape, a plurality of point contact portions may be formed on the line contact line.
[0093]
These concave portions function as a restricting portion for positioning the optical element in the present invention, and a surface that contacts an armature that is an engaging portion of a parallel plate as an optical member is a position restricting surface or position for positioning Functions as a regulation unit.
[0094]
The armatures 4U, 4D are brought into contact with the inner wall surfaces 92U, 93U, 92D, 93D on the left and right sides in the respective concave portions, that is, in the drawing, so that the inclined positions and the optical axes with respect to the optical axis of the parallel plate The position of the direction is positioned, and the amount of movement in the optical axis direction of the armatures 4U, 4D at both ends of the parallel plate 3 is determined according to the width of each concave portion in the optical axis direction. Control is performed so that the positions in the optical axis direction are different.
[0095]
This pixel shifting system also includes a parallel plate having such a configuration in the horizontal direction, and the positional relationship is shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b).
[0096]
3A is a front view seen from the front in the optical axis direction, and FIG. 3B is a view seen from above. As can be seen from FIG. 1, a horizontal parallel plate 6 and a vertical parallel plate 3 are arranged between the imaging lens unit 1 and the imaging device 2 so as to be orthogonal to each other.
[0097]
In the pixel shifting system of the present invention, what is important is that many tilt positions are obtained by regulating the tilt position of each parallel plate or the position in the optical axis direction by the armatures at both ends and the position regulation surfaces in the recesses. In addition, an electromagnet is used as the driving source, and the parallel plate is configured such that the armatures at both ends thereof are loosely fitted in the recess with a predetermined clearance, and the position is regulated by the electromagnetic force of the electromagnet during operation. In a state where the electromagnet is not energized, no special configuration is required as the support means for the parallel plates. According to this support structure, like a conventional system, a gimbal mechanism, a complicated cam mechanism, a gear mechanism, a plurality of step motors, and the like having pivot axes in the vertical and horizontal directions can be omitted.
[0098]
Further, both the parallel plates 3 and 6 are merely loosely fitted in the recesses, so that a support mechanism such as a gimbal is not necessary, and the driving force directly acts on the electromagnetic force, so that a mechanism for transmitting the driving force is also unnecessary. Therefore, not only the configuration is simple, but also extremely high-speed driving is possible, and highly accurate position regulation is possible.
[0099]
Hereinafter, the configuration of the pixel shifting system in this embodiment and the details of the parallel plate control will be described with reference to FIGS.
[0100]
FIGS. 4 to 7 are diagrams for explaining the tilt position control of the parallel plate 3 that performs pixel smoothing in the vertical direction. A characteristic configuration is the setting of the relative positional relationship between the recesses 91U and 91D and the width of the recesses.
[0101]
4 to 7 show the inclined positions of the parallel plates for sequentially shifting the incident position of the incident light corresponding to one point on the subject on the imaging surface of the imaging device 2 downward.
[0102]
In FIG. 4, the recess 91U in which the armature 4U at the upper end of the parallel plate 3 is loosely fitted and the recess 91D in which the lower armature 4D is loosely fitted have a width, that is, a length in the optical axis direction, and a position thereof. It is set almost the same.
[0103]
4, the electromagnet 5Ua is on, the electromagnet 5Ub is off, and the armature 4U is attracted to the yoke 51U of the electromagnet 5Ua in the recess 91U and is in contact with the position restricting surface 92U that is forward in the optical axis direction. Below, the electromagnet 5Da is off, the electromagnet 5Db is on, the armature 4D is attracted to the yoke 52D of the electromagnet 5Db, and is in contact with the position regulating surface 93D that is rearward in the optical axis direction. .
[0104]
In the present embodiment, the parallel plate 3 is set so as to shift the pixel upward with respect to the optical axis in the state of FIG. 4, but the inclined states of FIGS. 4, 5, 6, and 7 respectively. Are not absolute, and only allow an image that should not be incident to be incident according to the inclination angle of the parallel plate. In the state of 7, it is not necessary to be perpendicular to the optical axis.
[0105]
Here, the clearance between the armature 4U and the width of the recess 91U, that is, the gap between the armature 4U and the position regulating surface 93U in the recess 91U is d1, and similarly, the clearance between the armature 4D and the width of the recess 91D, that is, the armature 4D. The gap between the position restricting surface 92D in the recess 91D is d2, and d2 = d1, that is, the gap d2 is set to be equal to or equal to the gap d1 between them.
[0106]
Further, ω1 indicates an angle formed by the imaging surface of the imaging device 2 and the parallel plate 3 at this time. The gaps d1 and d2 are set with high accuracy.
[0107]
In the state shown in FIG. 4, if the electromagnet 5Ua is turned off and the electromagnet 5Ub is turned on for excitation, the armature 4U at the upper end of the parallel plate 3 leaves the position restricting surface 92U of the upper recess 91U and moves toward the position restricting surface 93U. And are brought into contact with each other and positioned, and the state shown in FIG. 5 is obtained.
[0108]
As a result, the armatures 4U and 4D at the upper and lower ends of the parallel flat plate 3 are restricted in inclination by the position restricting surface 93U in the recess 91U and the position restricting surface 93D in the recess 91D, respectively. That is, the state shown in FIG. 4 is tilted to the right by one step as seen in FIG. 4, and the light receiving position of the incident light on the imaging surface of the imaging device 2 is shifted downward on the imaging surface. In this state, the angle between the imaging surface and the parallel plate is ω2.
[0109]
In the state of FIG. 5, by turning off the electromagnet 5Ub of the upper concave portion 91U and turning on the electromagnet 5Ua, the armature 4U leaves the position regulating surface 93U in the concave portion 91U and is attracted to and abuts on the position regulating surface 92U. Is positioned.
[0110]
Further, when the electromagnet 5Db of the lower recess 91D is turned off and the electromagnet 5Da is turned on, the lower armature 4D of the parallel plate 3 leaves the position restricting surface 93D in the lower recess 91D and is attracted to the position restricting surface 92D. Abutting and positioning are performed, and the state shown in FIG. 6 is obtained.
[0111]
As a result, the parallel plate 3 has its upper and lower end armatures 4U and 4D regulated by the position regulating surface 92U in the recess 91U and the position regulating surface 92D in the recess 91D, respectively. That is, from the state of FIG. 5, the position in the optical axis direction moves to the left as viewed in FIG. The incident light receiving position on the upper side is substantially the same position on the imaging surface. In this state, the angle between the imaging surface and the parallel plate is ω3. However, ω2≈ω3, and in the states of FIGS. 5 and 6, the angle formed by the parallel plate and the optical axis is the same. Therefore, the pixel shifting effect is the same, and either state can be selected. .
[0112]
Here, the description of the embodiment is continued by selecting the state of FIG.
[0113]
When the electromagnet 5Db is turned off and the electromagnet 5Da is turned on in the state of FIG. 5, the armature 4D at the lower end of the parallel plate 3 leaves the position regulating surface 93D of the lower recess 91D and is attracted to the position regulating surface 92D side. The armature 4U at the upper end is positioned on the position regulating surface 93U of the recess 91U, and the state shown in FIG. 7 is obtained.
[0114]
Thereby, the parallel flat plate 3 is further tilted from the state of FIG. 5 to the right as viewed in the figure, and the tilt angle is maximized. In this state, the angle between the imaging surface and the parallel plate is ω4.
[0115]
As described above, as shown in FIGS. 4 to 7, by sequentially changing the inclination of the parallel plate 3 to ω1 to ω4, it is possible to control the inclination angle in three steps. Incident light can be shifted to three locations in a direction perpendicular to the imaging surface.
[0116]
In addition, between ω1 and ω4,
(Ω2-ω1) = (ω4-ω2) = (ω4-ω3) = constant
This indicates that the incident position of incident light that changes due to the inclination of the parallel plate 3 on the imaging surface is shifted at equal intervals on the imaging surface.
[0117]
In this embodiment, the clearances d1 and d2 between the armatures in the recesses 91U and 91D are set so that the shift amount in one stage is a distance of two-thirds of the pixel interval of the image sensor. Is set. Since d1 and d2 determine the inclination angle of the parallel plate, they are changed according to the pixel interval of the image sensor or the shift amount.
[0118]
Further, as is clear from the above description, the parallel plate 3 is supported in a state of having a backlash by the armatures at both ends thereof being loosely fitted in the recesses 91U and 91D. The inclination angle is determined by bringing the armature into contact with the position regulating surface in the recess by excitation, but the portion of the armature that contacts the position regulating surface has a cylindrical shape. Even if the position of the contact is shifted in the longitudinal direction of the parallel plate, the inclination angle of the parallel plate does not change, so the incident position of the incident light on the imaging surface of the image sensor does not change.
[0119]
Further, if the positions of the concave portions 91U and 91D in the optical axis direction are set to be the same, even if the inclination angle changes, the center position of the parallel plate in the optical axis direction does not change greatly, and it is always accurate. Pixel shifting can be performed.
[0120]
Since the armature has a cylindrical shape, when it is attracted by the electromagnetic force of the electromagnet, the portion closest to the position regulating surface becomes a point (actually a line), so the armature is centered at the position of the armature. In practice, there is no displacement.
[0121]
In addition, in the recesses 91U and 91D, the mounting positions of the end portions of the yokes 51U, 52U, 51D, and 52D of the electromagnets 5Ua, 5Ub, 5Da, and 5Db do not protrude from the position restricting surfaces 92U93U, 92D, and 93D, respectively. Is set. As a result, the parallel plate armature is always positioned by the position restricting surface of the concave portion, and is not affected by the mounting position accuracy of the electromagnet, and can be positioned with high accuracy.
[0122]
With the above configuration, by setting the inclination of the parallel plate so that the incident position of the incident light is shifted at a distance of two-thirds of the pixel interval of the imaging surface, that is, a two-third pixel pitch, for each inclination angle, The number of pixels substantially three times the number of pixels in the vertical direction of the actual image sensor can be obtained.
[0123]
Then, for each inclined position of the parallel plate 3, the three images picked up by the image sensor are sequentially stored in the memory, and when reading from the memory, the reading order of each pixel of the three images is controlled. Thus, it can be synthesized into one high quality image.
[0124]
The above describes pixel shifting in the vertical direction on the imaging surface. As described above, in the embodiment of the present invention, such a pixel shifting mechanism is also provided in the horizontal direction. Also, the pixel shift is performed so that the number of pixels of the image sensor can be substantially tripled, and a total of nine times the number of pixels can be obtained.
[0125]
FIGS. 8 to 11 illustrate the operation of shifting the pixels in the horizontal direction by sequentially changing the inclination angle of the parallel plate 6 in the horizontal direction.
[0126]
Since the configuration and operation principle of the pixel shifting mechanism in the horizontal direction are the same as those of the pixel shifting mechanism in the vertical direction shown in FIGS. 4 to 7 described above, detailed description thereof is omitted.
[0127]
The inclination angle of the parallel plate 6 is determined by the position restricting surfaces 92L, 93L, 92R, 93R of the left and right recesses 91L, 91R in which the armatures 7L, 7R attached to the left and right ends of the parallel plates are respectively fitted. The clearance between the width of the recess 91L and the armature 7L is d3, and the clearance between the width of the recess 91R and the armature 7R is d4. In this embodiment, the relationship d4 = d3 is set.
[0128]
Then, in the order of FIGS. 8, 9, 10, and 11, the inclination angle of the parallel plate 6 is increased, and the angles formed between the imaging surface and the parallel plate are stepwise as ω5, ω6, ω7, and ω8. By changing (increasing), pixels are shifted at equal intervals on the imaging surface even in the horizontal direction.
[0129]
In addition, between ω5 and ω8,
(Ω6-ω5) = (ω8−ω6) = (ω8−ω7) = constant
It is set to maintain the relationship.
[0130]
In the present embodiment, the clearances d3 and d4 between the armatures in the recesses 91L and 91R are set so that the one-stage shift amount is a distance of two-thirds of the pixel interval in the horizontal direction of the image sensor. Is set. Since d3 and d4 determine the inclination angle of the parallel flat plate, they are changed according to the pixel interval of the image sensor or the shift amount.
[0131]
In FIGS. 4 to 7 and FIGS. 8 to 11 described above, the inclination angle of the parallel plates is sequentially changed so as to increase. However, for each inclination position, an image is captured and stored in the memory. Since they are combined in a later process, the order of the inclination angles of the parallel plates may be performed in any way. That is, the order of FIG. 4 to FIG. 7 and FIG. 8 to FIG. 11 does not have to be as shown in the figure, and may be any order. If a total of nine screens are imaged, the order may be arbitrary.
[0132]
Further, since the pixel shifting mechanism in the vertical direction and the pixel shifting mechanism in the horizontal direction are independent, the direction and order of control pixel shifting between them may be arbitrary. However, it goes without saying that any parallel plate must be kept stationary while an image at each pixel shift position is being captured (charge accumulation).
[0133]
12 is a combination of the three states of the parallel plate 3 for shifting the vertical pixels shown in FIGS. 4 to 7 and the three states of the parallel plate 6 for shifting the horizontal pixels shown in FIGS. FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a spatial position when pixel shifting is performed.
[0134]
With reference to FIG. 12, how the data is captured by shifting the luminous flux will be described.
[0135]
In the same figure, the location indicated by hatching (four types of hatching such as cross-hatching) is an illustration of a part of the position of a pixel (light receiving portion) on an image sensor such as an interline transfer type CCD. The (dead zone) is divided into two so that the pixel pitch is divided into three.
[0136]
FIG. 12A shows three states of the parallel plate 3 for shifting the vertical pixels shown in FIGS. 4 to 7 and three states of the parallel plate 6 for shifting the horizontal pixels shown in FIGS. 8 to 11. For example, the luminous flux that can be captured by the light receiving unit indicated by symbol A is coordinates (H5, L5), (H5, L7), (H5, L9), (H7, L5), (H7, L7), (H7). , L9), (H9, L5), (H9, L7), and (H9, L9), the light beams that are incident on the light receiving unit A one by one (pixel shift). The data (charge accumulated in the light receiving portion) is read when the light receiving portion A reads the field. The same applies to the field reading of all other light receiving units.
[0137]
As a result, as shown in FIG. 12 (b), it becomes possible to capture the light flux data that could not be captured by entering the dead zone around each light receiving unit by shifting the pixels.
[0138]
In other words, the dead zone between the pixels in the imaging surface and the image information incident on other pixels can be received, resulting in the same effect as increasing the number of pixels of the imaging device. It is something that can be done.
[0139]
The configuration and operation of the pixel shifting system according to the present invention are as described above, and parallel plates for shifting pixels in the vertical direction and the horizontal direction are provided, respectively, and 2 / By shifting and imaging at a pitch of 3 pixels, it is possible to obtain an image quality of the same number of pixels as that captured by an image sensor having the number of pixels substantially 3 times in the vertical and horizontal directions and 3 × 3 = 9 times in total. Can do.
[0140]
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the first embodiment of FIGS. 4 to 11 is configured to shift the pixels in three stages in the vertical direction and the horizontal direction, respectively, whereas 4 in each of the vertical and horizontal directions. This makes it possible to shift pixels in stages.
[0141]
Also in this case, the configuration using the parallel flat plate, the positioning concave portion, and the electromagnet as the driving means is the same, and can be realized by changing the positional relationship of the concave portion.
[0142]
FIGS. 13 to 16 are diagrams for explaining the tilt position control of the parallel plate 3 in which the pixel shift in the vertical direction is performed in four stages. A characteristic configuration is the setting of the relative positional relationship between the recesses 91U ′ and 91D ′ and the width of the recesses.
[0143]
FIG. 13 to FIG. 16 show the inclined positions of the parallel plates for sequentially shifting the incident position of the incident light corresponding to one point on the subject on the imaging surface of the imaging device 2 downward. The same components as those in the first embodiment shown in FIGS. 4 to 11 are described using the same reference numerals.
[0144]
In FIG. 13, the concave portion 91U ′ in which the upper armature 4U of the parallel plate 3 is loosely fitted and the concave portion 91D ′ in which the lower armature 4D is loosely fitted are the width, that is, the length in the optical axis direction, and the The positions are different from each other.
[0145]
In FIG. 13, in the upper part, the electromagnet 5Ua is on, the electromagnet 5Ub is off, and the armature 4U is attracted to the yoke 51U of the electromagnet 5Ua in the recess 91U ′ and comes into contact with the position regulation surface 92U ′ that is forward in the optical axis direction. In the lower part, the electromagnet 5Da is turned off, the electromagnet 5Db is turned on, the armature 4D is attracted to the yoke 52D of the electromagnet 5Db, and is brought into contact with the position restricting surface 93D ′ located behind the optical axis. Has been.
[0146]
Also in the present embodiment, the parallel plate 3 is set so as to be in a vertical positional relationship with respect to the optical axis in the state of FIG. 13, but the inclined states of FIGS. 13, 14, 15, and 16 respectively. These are not absolute, and to the last, an image that should not be incident can be incident in accordance with the inclination angle of the parallel plate. Therefore, in the state of FIG. 13, it is perpendicular to the optical axis. Need not be.
[0147]
Here, the clearance between the armature 4U and the width of the recess 91U ′, that is, the gap between the armature 4U and the position regulating surface 93U ′ in the recess 91U ′ is d1 ′, and similarly the armature 4D and the width of the recess 91D ′. The clearance, that is, the gap between the armature 4D and the position regulating surface 92D ′ in the recess 91D ′ is d2 ′, and between them, d2 ′ = 2d1 ′, that is, the gap d2 is set to be twice the gap d1 ′. Yes.
[0148]
Further, ω1 ′ indicates an angle formed by the imaging surface of the imaging device 2 and the parallel plate 3 at this time. Note that the gaps d1 ′ and d2 ′ are set with high accuracy.
[0149]
In the state shown in FIG. 13, if the electromagnet 5Ua is turned off and the electromagnet 5Ub is turned on for excitation, the armature 4U at the upper end of the parallel plate 3 leaves the position restricting surface 92U ′ of the upper recess 91U ′, and the position restricting surface. It attracts | sucks to 93U 'side and contact | abuts, it positions and it will be in the state of FIG.
[0150]
As a result, the armatures 4U and 4D at the upper and lower ends of the parallel flat plate 3 are restricted in inclination by the position restricting surface 93U ′ in the recess 91U ′ and the position restricting surface 93D ′ in the recess 91D ′. That is, from the state of FIG. 13, it is tilted to the right by one step as seen in the figure, and the light receiving position of the incident light on the imaging surface of the image sensor 2 is shifted downward on the imaging surface. In this state, the angle formed by the imaging surface and the parallel plate is ω2 ′.
[0151]
In the state of FIG. 14, by turning off the electromagnet 5Ub in the upper recess 91U ′ and turning on the electromagnet 5Ua, the armature 4U leaves the position restricting surface 93U ′ in the recess 91U ′ and is attracted to the position restricting surface 92U ′. Is abutted and positioned.
[0152]
Further, when the electromagnet 5Db of the lower recess 91D ′ is turned off and the electromagnet 5Da is turned on, the lower armature 4D of the parallel plate 3 leaves the position restricting surface 93D ′ in the lower recess 91D ′ and moves to the position restricting surface 92D ′. Are attracted and contacted, positioning is performed, and the state shown in FIG. 15 is obtained.
[0153]
Accordingly, the inclined positions of the upper and lower armatures 4U and 4D of the parallel flat plate 3 are restricted by the position restricting surface 92U ′ in the recess 91U ′ and the position restricting surface 92D ′ in the recess 91D ′. That is, the state shown in FIG. 14 is further tilted to the right by one step as seen in FIG. 14, and the light receiving position of the incident light on the imaging surface of the image sensor 2 is shifted further downward on the imaging surface. In this state, the angle formed by the imaging surface and the parallel plate is ω3 ′.
[0154]
In this state, when the electromagnet 5Ua is turned off and the electromagnet 5Ub is turned on, the armature 4U at the upper end of the parallel plate 3 leaves the position restricting surface 92U ′ of the upper recess 91U ′ and is attracted to the position restricting surface 93U ′ side. The armature 4D at the lower end is positioned on the position restricting surface 92D ′ of the concave portion 91D ′, and the state shown in FIG. 16 is obtained.
[0155]
Thereby, the parallel flat plate 3 is further tilted from the state of FIG. 15 to the right as viewed in the figure, and the tilt angle is maximized. In this state, the angle between the imaging surface and the parallel plate is ω4 ′.
[0156]
As described above, as shown in FIGS. 13 to 16, by sequentially changing the inclination of the parallel plate 3 to ω1 ′ to ω4 ′, it is possible to control the inclination angle in four steps, and thereby the subject. Can be shifted to four locations in the vertical direction with respect to the imaging surface.
[0157]
In addition, between ω1 ′ to ω4 ′,
(Ω2′−ω1 ′) = (ω3′−ω2 ′) = (ω4′−ω3 ′) = constant
This indicates that the incident position of incident light that changes due to the inclination of the parallel plate 3 on the imaging surface is shifted at equal intervals on the imaging surface.
[0158]
In this embodiment, the clearances d1 ′ and d2 ′ between the armatures in the recesses 91U ′ and 91D ′ are set so that the shift amount in one step is half the pixel interval of the image sensor. It is set. Since d1 ′ and d2 ′ determine the inclination angle of the parallel plate, they are changed according to the pixel interval of the image sensor or the shift amount.
[0159]
Also in the present embodiment, the portions of the armatures at both ends of the parallel plate 3 that are in contact with the position restricting surfaces in the recesses are cylindrical cylindrical members. Therefore, the position where the cylindrical armature contacts on the position restricting surfaces. Even if the parallel plate is displaced in the longitudinal direction, the inclination angle of the parallel plate does not change, and the incident position of incident light on the imaging surface of the image sensor does not change.
[0160]
By setting the inclination of the parallel plate so that the incident position of incident light is shifted by a half distance of the pixel interval on the imaging surface, that is, a half pixel pitch, for each inclination angle, the number of pixels in the vertical direction of the actual image sensor is set. A substantially four times as many pixels can be obtained.
[0161]
Then, for each inclined position of the parallel plate 3, four images taken by the image sensor are sequentially stored in the memory, and when reading from the memory, the reading order of each pixel of the four images is controlled. Thus, it can be synthesized into one high quality image.
[0162]
The above describes pixel shifting in the vertical direction on the imaging surface. As described above, in the embodiment of the present invention, such a pixel shifting mechanism is also provided in the horizontal direction. Also, the pixel shift is performed so that the number of pixels of the image sensor can be substantially quadrupled, and a total of 16 times the number of pixels can be obtained.
[0163]
FIGS. 17 to 20 illustrate an operation in which the pixel shift in the horizontal direction is performed by sequentially changing the inclination angle of the parallel plate 6 in the horizontal direction.
[0164]
The configuration and operation principle of the pixel shifting mechanism in the horizontal direction are the same as those of the pixel shifting mechanism in the vertical direction shown in FIG. 13 to FIG.
[0165]
The inclination angle of the parallel plate 6 is such that the left and right recesses 91L ′ and 91R ′ of the armatures 7L and 7R attached to the left and right ends of the parallel plates are position-regulating surfaces 92L ′, 93L ′ and 92R, respectively. , 93R ', and the clearance between the width of the recess 91L' and the armature 7L is d3, and the clearance between the width of the recess 91R and the armature 7R is d4. In this embodiment, d4 '= 2d3 'Relationship is set.
[0166]
Then, in the order of FIG. 17, FIG. 18, FIG. 19, and FIG. 20, the inclination angle of the parallel plate 6 is increased, and the angles formed between the imaging surface and the parallel plate are ω5 ′, ω6 ′, ω7 ′, and ω8 ′. By changing (increasing) stepwise, pixels are shifted at equal intervals on the imaging surface even in the horizontal direction.
[0167]
In addition, between ω5 ′ to ω8 ′,
(Ω6′−ω5 ′) = (ω7′−ω6 ′) = (ω8′−ω7 ′) = constant
It is set to maintain the relationship.
[0168]
In the present embodiment, the clearances d3 ′ and d4 ′ between the armatures in the recesses 91L ′ and 91R ′ are set so that the one-stage shift amount is half the distance between the pixels in the horizontal direction of the image sensor. Is set. Since d3 ′ and d4 ′ determine the inclination angle of the parallel plate, they are changed according to the pixel interval of the image sensor or the shift amount.
[0169]
In FIGS. 13 to 16 and FIGS. 17 to 20 described above, the inclination angle of the parallel plates is sequentially changed so as to increase. However, for each inclination position, an image is captured and stored in the memory. Since they are combined in a later process, the order of the inclination angles of the parallel plates may be performed in any way.
[0170]
That is, the order of FIG. 13 to FIG. 16 and FIG. 17 to FIG. 20 does not have to be as shown in the figure, and may be any order, and controls each electromagnet to display 4 screens in the vertical direction and 4 screens in the vertical direction. If a total of 16 screens are imaged, the order may be arbitrary.
[0171]
Further, since the pixel shifting mechanism in the vertical direction and the pixel shifting mechanism in the horizontal direction are independent, the direction and order of control pixel shifting between them may be arbitrary. However, it goes without saying that any parallel plate must be kept stationary while one image is captured.
[0172]
FIG. 21 shows changes in the incident position of incident light on the imaging surface corresponding to the four states of the parallel flat plates shown in FIGS. 13 to 20 in units of pixels.
[0173]
In FIG. 21, the states of FIGS. 13 to 16 are conceptually shown in (1), (2), (3), and (4), respectively. By sequentially changing the inclination of the parallel plate 3, the incident light incident position that should be incident on only one point on the imaging surface of the incident light can be changed to four locations. It is possible to cause each pixel to enter the light speed at four locations including between the pixels in the vertical direction.
[0174]
In other words, the dead zone between the pixels in the imaging surface or the upper part of the image incident on the other pixels can be received, resulting in the same effect as increasing the number of pixels of the imaging device. It is something that can be done.
[0175]
In FIG. 21, reference numeral 2 a denotes an imaging surface of the imaging device 2. A color filter is arranged on the imaging surface, and the color filter is an arrangement of Cy (cyan), Ye (yellow), G (green), and Mg (magenta) pixels as shown in the figure. These four pixels constitute one pixel in the case of color imaging.
[0176]
Looking at the vertical direction, by changing the tilt angle with respect to the optical axis of the parallel plate, the light beam incident on the same position can be seen in the same figure as the vertical direction corresponding to the position where there is no pixel between the pixels. Are sequentially shifted to four locations. That is, when viewed from the pixel side of the image sensor, image information at a position where image information cannot be obtained can be captured for each pixel.
[0177]
In addition, according to the present invention, since the pixel shift is performed in four vertical directions and four horizontal directions without overlapping pixels of the same color, as shown in FIG. Can be substantially multiplied by 4 × 4 = 16 times. Assuming that the number of pixels of the image sensor is 1.3 million pixels, if the pixel shifting system of the present invention is applied to only one of the vertical direction and the horizontal direction, it is the same as when imaging with an image sensor of 130 × 4 = 5.2 million pixels. A high quality image can be obtained.
[0178]
Therefore, if both the vertical and horizontal directions are performed, an image quality equivalent to 520 × 4 = 20.8 million pixels can be obtained.
[0179]
(Third embodiment of the present invention)
Next, a third embodiment of the pixel shifting system according to the present invention will be described.
[0180]
The feature of this embodiment is that the drive system composed of electromagnets for driving parallel plates is simplified and the power consumption is reduced as compared with the first embodiment.
[0181]
FIG. 22 shows the main part of the present embodiment, where FIG. 22A is a front view seen from the front in the optical axis direction, and FIG. 22B is a top view seen from above.
[0182]
In each figure, what is different from the first embodiment is that a part of the electromagnet is omitted and replaced with a spring. In the figure, the same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
[0183]
That is, as seen in FIG. 1, the electromagnets 5Ua, 5Da, 8La, and 8Ra are removed, and springs are respectively arranged to urge the parallel flat plates forward in the optical axis direction.
[0184]
That is, these springs become the attractive force of the electromagnets 5Ua, 5Da, 8La, and 8Ra, and the movement of the parallel plate in the direction against the spring is driven by the magnetic magnets 5Ub, 5Ub, 8Lb, and 8Rb. This is done against the spring. Thereby, in the first embodiment, eight electromagnets can be reduced to four, half.
[0185]
In FIG. 22B, springs 10L and 10R for pulling the armatures 7L and 7R of the parallel plate in the horizontal direction forward in the optical axis direction are provided instead of the electromagnets 8La and 8Ra.
[0186]
The other springs are not shown, but in FIG. 1, springs are arranged in place of the electromagnets 5Ua, 5Da, 8La, and 8Ra, and the configuration is clear from the figure.
[0187]
The pixel shifting operation in the vertical direction by the parallel plate 3 and the pixel shifting operation in the horizontal direction by the parallel plate 6 are the same as those in the first and second embodiments described above with reference to FIGS. 4 to 11 and FIGS. 13 to 16. It is as having demonstrated using FIGS. 17-20, and the further description is abbreviate | omitted.
[0188]
The configuration and operation of the pixel shifting system in the present invention are as described above. Here, the configuration in the case where such a pixel shifting system is actually incorporated in a lens mirror or the camera body will be described.
[0189]
FIG. 23 is an exploded perspective view of a pixel shifting unit that is unitized by incorporating the pixel shifting mechanism according to the first (second) embodiment of the present invention.
[0190]
In the figure, reference numerals 9 and 9 ′ denote housings for supporting the electromagnets and the parallel plates, respectively, which are divided in the front and rear directions in the optical axis direction, and an opening through which incident light passes is formed in the optical axis portion. Yes.
[0191]
The electromagnets 5Ub, 5Db, 8Lb, and 8Rb are arranged at predetermined positions on the joint surface facing the front housing 9 ′ around the opening 9a of the rear housing 9, and are respectively in the vertical direction and the horizontal direction. The concave portions 91U, 91D, 91L, 91R in which the parallel flat plates 3, 6 are arranged are respectively provided with the position regulating surfaces 93U, 93D, 93L, 93R.
[0192]
The armatures 52U, 52D, 82L, and 82R of the electromagnets 5Ub, 5Db, 8Lb, and 8Rb are respectively exposed at positions facing the armatures 4U, 4D, 7L, and 7R of the parallel plates 3 and 6. .
[0193]
On the other hand, electromagnets 5Ua, 5Da, 8La, and 8Ra are arranged on the front housing 9 ′ side facing the rear housing 9 so as to face the electromagnets 5Ub, 5Db, 8Lb, and 8Rb, and the concave portions 91U, Position restricting surfaces 92U, 92D, 92L, and 92R sides of 91D, 91L, and 91R are formed.
[0194]
Therefore, by connecting the front housing 9 ′ and the rear housing 9, the vertical and horizontal parallel plates 3 and 6 and electromagnets for controlling the positions of these parallel plates are shown in FIGS. , And can be supported as shown in FIGS.
[0195]
FIG. 24 is a side sectional view showing a case where the pixel shifting unit is further incorporated in a camera.
[0196]
In the figure, reference numeral 200 denotes a lens barrel, in which a photographing lens optical system 1 is arranged. A pixel shifting unit shown in FIG. 23 is arranged on the mount portion of the lens barrel 200.
[0197]
The pixel shifting unit includes a front housing 9 ′ and a rear housing 9, and as is apparent from the figure, an LPF (optical low-pass filter) 202 that limits the spatial frequency of incident light, and a horizontal parallel plate 6 The vertical parallel plate 3 and the LPF (optical low-pass filter) 203 are sequentially arranged, and the image sensor 2 is arranged at the rear thereof. 2a is an effective image pickup surface (image pickup range) of the image pickup device 2, and 2b is also an image pickup surface made of sealing glass.
[0198]
The infrared cut filter can be disposed on the surface of the parallel plate 3 or 6 by coating, for example.
[0199]
The LPFs 202 and 203 remove the moiré caused by the folding by limiting the spatial frequency band of the incident light by the combination of both, but the LPF 203 can be rotated, and the rotation of the incident light The effect of the LPF can be canceled by rotating the wavelength.
[0200]
Therefore, when it is necessary to remove the band limitation by the LPF in order to perform high-quality image pickup, it can be realized by simply rotating the LPF without attaching or detaching it from the camera. The configuration for rotating the two optical low-pass filters relative to each other and canceling the low-pass function and the details of the operation are described in detail in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-245762, and thus the description thereof is omitted here. To do.
[0201]
Next, a circuit for driving the pixel shifting mechanism will be described with reference to FIG.
[0202]
In the figure, reference numeral 1 denotes an image pickup lens optical system, 2 denotes an image pickup element, and a pixel shifting unit is arranged in a space between them.
[0203]
The image pickup signal output from the image pickup device 2 is stored in the memory 301, and the image data read from the memory is supplied to the camera process circuit 302 to generate a luminance signal and a color signal, and to the recording / reproducing system 306. And is recorded on a recording medium (not shown).
[0204]
Further, the signal is supplied to the display control circuit 304, converted into a signal format that can be displayed on the monitor, and then displayed on the monitor display 305.
[0205]
Alternatively, the digital image signal may be output to an external device from the digital image output DO so as to be supplied to a personal computer or the like.
[0206]
The image processing circuit configured in this manner is controlled by a system control circuit 307 configured by a microcomputer.
[0207]
That is, the pixel shifting unit is controlled, and the parallel plates are sequentially controlled in the vertical direction and the horizontal direction to perform pixel shifting.
[0208]
In the embodiment of the present invention, the system control circuit 307 controls, for example, the parallel plate 3 to shift the pixels in four steps in the vertical direction, and controls the parallel plate 6 in each step to control the pixels in the horizontal direction. Shifting is performed in 4 stages, and a total of 16 images can be captured, 4 stages in the vertical direction and 4 stages in the horizontal direction.
[0209]
Each of these images is sequentially stored by controlling the memory 301 with the memory controller 303. When all the images are captured in the memory 301, the readout is sequentially controlled in units of pixels, and each image is converted into one image. It can be read out while being synthesized, supplied to the camera process circuit 302, and subjected to luminance signal processing and color signal processing to obtain a high-quality image signal.
[0210]
Instead of performing this camera process, the image data may be output to an external device such as a personal computer, and various image processing may be performed on the external device side.
[0211]
With the above processing, it is possible to perform high-quality imaging equivalent to imaging with an imaging device having a much larger number of pixels than the actual number of pixels of the imaging device.
[0212]
As described above, according to the pixel shifting system in each embodiment of the present invention, the drive source in the pixel shifting system is changed from a motor to an electromagnetic driving unit such as an electromagnet, and the position control unit from a complicated mechanism such as a cam. A member that must have a dimensional accuracy by controlling the tilt position of the optical element for shifting pixels, such as a parallel plate, by making the abutment space different from the size of the abutment space for position control. By eliminating the specific support shaft for controlling the tilt position of the optical element, the control method can be simplified, the speed can be increased, and a simple mechanism with several stable positions. A pixel shifting system capable of obtaining an optical position can be realized.
[0213]
【The invention's effect】
As described above, extremely high positioning accuracy can be obtained.
[0220]
According to the invention described in claim 11 of the present application, since the driving means is constituted by a plurality of electromagnets provided for each of the regulating surfaces, the simple configuration that only controls on / off of the electromagnets, The tilt position of the optical member can be changed at high speed.
[0221]
According to the invention described in claim 12 of the present application, since the driving means is constituted by an elastic member and an electromagnet, the configuration can be further simplified.
[0222]
According to the invention described in claims 13 and 14 of the present application, by arranging a plurality of the optical elements in the optical path, it is possible to further increase the stage of the pixel shift amount, and to increase the shift amount of one stage. Also, the shift direction can be varied.
[0223]
That is, since the optical element is composed of a vertical optical element that shifts the incident position of incident light on the imaging surface in the vertical direction and a horizontal optical element that shifts in the horizontal direction, pixels in both the vertical and horizontal directions Shifting, that is, high image quality can be achieved.
[0224]
According to the invention described in claim 15 of the present application, since a parallel plate is used as the optical element, high-accuracy pixel shifting can be performed with a simple structure without using a large-scale structure for moving the image sensor. It becomes possible.
[0225]
According to the invention described in claim 16 of the present application, each of the end portions of the optical element that shifts the incident position of the incident light on the imaging surface is brought into contact with each other, and the movement range in the optical axis direction of each end portion is set respectively. By forming the position restricting surface to be restricted, the pixel shift operation can be basically made possible by a simple mechanism that simply brings the optical element into contact with the position restricting surface.
[0226]
Since the optical element can be controlled to have a plurality of inclination angles by changing the combination of the restriction surfaces with which the end portions of the optical elements abut, the combination of the restriction surfaces with which the optical elements abut is changed. Only by this, the tilt angle of the optical element can be controlled in a plurality of stages, and an extremely simple configuration, high-speed, and high-precision pixel shifting can be performed.
[0227]
In addition, by positioning the optical element directly in contact with the position-regulating surface, extremely high positioning accuracy can be obtained in spite of its simple structure, and extremely fast pixel shifting imaging operation. Is possible.
[0228]
This also eliminates the need for complicated mechanisms such as a conventional gimbal for supporting the optical element and a cam for controlling the tilt position of the optical element, thereby reducing the cost and space. Become advantageous.
[0229]
According to the invention described in claims 17 to 23 of the present application, the position restricting surface is formed in front and rear in the optical axis direction with respect to each end portion of the optical element, and the end portion of the optical element abuts. By changing the combination of the position regulating surfaces, the optical element can be controlled to a plurality of inclination angles, and the amount of movement at each end of the optical element and the ratio of the amount of movement are changed as appropriate. Can be controlled in various ways. (In claims 18 to 20, the movement amounts of both ends of the optical element are made equal to each other in three stages. In claims 21 to 23, the movement of each end of the optical element is performed. By varying the amount, four stages of tilt angles are possible), and an extremely simple configuration, high-speed and high-accuracy pixel shifting can be performed.
[0241]
According to the invention described in claims 31 to 37 of the present application, the movement amount at each end of the academic element and the ratio of the movement amount are appropriately changed by selecting the position and length of the concave portion in the optical axis direction. Thus, the inclination angle of the optical element and the number of steps thereof, and the change amount of the inclination angle can be selected as appropriate, and by changing the combination of the position restricting portions that contact the end of the optical element, The tilt angle of the optical element can be variously controlled. (In claim 33, the movement amount of both ends of the optical element is made equal by three steps. In claim 36, the movement of each end of the optical element is performed.) 4 different tilt angles are possible by varying the amount).
[0242]
Further, according to the inventions of claims 38 and 39 in the present application, since the engaging portions that are in line contact or point contact with the restricting surface are provided at both ends of the optical element in contact with the position restricting portion, respectively. Even if the engaging position of the engaging portion of the optical element (parallel plate) in the regulating surface changes and a positional shift occurs in a plane parallel to the imaging surface, the inclination angle becomes constant, which affects the pixel shift amount. Will not affect.
[0243]
Further, by using a line contact cylindrical member (a plurality of point contacts) or the like, there is no inclination in the longitudinal direction of the cylindrical member with respect to the regulating surface, and high-accuracy positioning is possible.
[0244]
According to the invention of claim 40 in the present application, the driving means is constituted by a plurality of electromagnets that drive the optical element back and forth in the optical axis direction, and by controlling on / off of the electromagnet, Since the restriction surface on which the optical element abuts can be changed, it is possible to shift pixels with high speed and high accuracy with a simple structure.
[0245]
According to the invention as set forth in claim 41 of the present application, since the driving means is constituted by an elastic member and an electromagnet, the configuration can be further simplified.
[0246]
According to the inventions described in claims 42 and 43 of the present application, by providing a plurality of the optical elements in the optical path, it is possible to further increase the stage of the pixel shift amount, and to increase the shift amount of one stage. Also, the shift direction can be varied.
[0247]
That is, since the optical element is composed of a vertical optical element that shifts the incident position of incident light on the imaging surface in the vertical direction and a horizontal optical element that shifts in the horizontal direction, pixels in both the vertical and horizontal directions Shifting, that is, high image quality can be achieved.
[0248]
According to the invention described in claim 44 of the present application, since a parallel plate is used as the optical element, high-accuracy pixel shifting can be performed with a simple configuration without using a large-scale configuration for moving the imaging device. It becomes possible.
[0249]
According to the invention described in claims 45 to 48 of the present application, a plurality of restricting portions that restrict the movement position in the optical axis direction are formed at both ends of the optical element that shifts the incident position of the incident light on the imaging surface. Since the tilt position of the optical element is controlled by abutting the optical element on each restricting portion, basically, the pixel shift is performed by a simple mechanism that abuts the optical element on the restricting portion. Operation is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view for explaining the configuration and operation principle of a pixel shifting system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining a configuration and an operation principle of a pixel shifting system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram for explaining a configuration and an operation principle of a pixel shifting system according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram for explaining a pixel shifting operation in the vertical direction of the pixel shifting system according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 5 is a diagram for explaining a pixel shifting operation in the vertical direction of the pixel shifting system according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 6 is a diagram for explaining a pixel shifting operation in the vertical direction of the pixel shifting system according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 7 is a diagram for explaining a pixel shifting operation in the vertical direction of the pixel shifting system according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 8 is a diagram for explaining a pixel shifting operation in the horizontal direction of the pixel shifting system according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 9 is a diagram for explaining a pixel shifting operation in the horizontal direction of the pixel shifting system according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 10 is a diagram for explaining a pixel shifting operation in the horizontal direction of the pixel shifting system according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 11 is a diagram for explaining a pixel shifting operation in the horizontal direction of the pixel shifting system according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 12 is a diagram for explaining a pixel shifting operation of the pixel shifting system according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a diagram for explaining a pixel shifting operation in the vertical direction of the pixel shifting system according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 14 is a diagram for explaining a pixel shifting operation in the vertical direction of the pixel shifting system according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 15 is a diagram for explaining a pixel shifting operation in the vertical direction of the pixel shifting system according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 16 is a diagram for explaining a pixel shifting operation in the vertical direction of the pixel shifting system according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 17 is a diagram for explaining a pixel shifting operation in the horizontal direction of the pixel shifting system according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 18 is a diagram for explaining a pixel shifting operation in the horizontal direction of the pixel shifting system according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 19 is a diagram for explaining a pixel shifting operation in the horizontal direction of the pixel shifting system according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 20 is a diagram for explaining a pixel shifting operation in the horizontal direction of the pixel shifting system according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 21 is a diagram showing the operation of the second exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a diagram showing a configuration of a third exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a perspective view showing a configuration when the pixel shifting system according to the embodiment of the present invention is unitized.
FIG. 24 is a diagram showing a configuration when the unit of the pixel shifting system in the embodiment of the present invention is actually incorporated in a camera.
FIG. 25 is a block diagram illustrating a circuit configuration for capturing an image using the pixel shifting system according to the embodiment of the present invention.
FIG. 26 is a diagram for explaining the principle of pixel shifting;
[Explanation of symbols]
1 Imaging lens
2 Image sensor
3 Parallel flat plate (vertical direction)
4 Armature (engaging part)
5Ua electromagnet
5Ub electromagnet
5 Da electromagnet
5Db electromagnet
6 Parallel flat plate (horizontal direction)
7 Armature (engaging part)
8La electromagnet
8Lb electromagnet
8Ra electromagnet
8Rb electromagnet
9 Pixel shift system case
9 'Pixel shift system housing
10L spring
10R spring
91U recess
91D recess
91L recess
91R recess
91U 'recess
91D 'recess
91L 'recess
91R 'recess
92U Position restriction surface (part)
92D Position restriction surface (part)
92L Position restriction surface (part)
92R Position restriction surface (part)
92U 'Position restriction surface (part)
92D 'Position restriction surface (part)
92L 'Position restriction surface (part)
92R 'Position restriction surface (part)
93U Position restriction surface (part)
93D Position restriction surface (part)
93L Position restriction surface (part)
93R Position restriction surface (part)
93U 'Position restriction surface (part)
93D 'Position restriction surface (part)
93L 'Position restriction surface (part)
93R 'Position restriction surface (part)
100 subjects
200 lens barrel

Claims (13)

An optical element for shifting the incident position of incident light on the imaging plane;
A plurality of restricting portions that control the tilt position of the optical element with respect to the optical axis by abutting each end of the optical element and restricting the position in the optical axis direction;
Drive means for driving the optical element so as to abut against the restricting portion;
The restricting portion has a position restricting surface formed in the front and rear direction of the optical axis across each end of the optical element, and the optical element has the optical axis at each end thereof by the position restricting surface. By restricting the position in the direction, the inclination angle with respect to the optical axis direction is determined, and by changing the combination of the position restriction surfaces with which the end of the optical element abuts, the optical element is changed to a plurality of inclination angles. Configured to be controllable,
The driving means is composed of a plurality of electromagnets configured by yokes and armatures provided for the position restricting surfaces, and controls the on / off of the electromagnets to control the position restricting surfaces that come into contact with the optical member. By selecting, configured to change the tilt position of the optical member ,
The optical device is characterized in that an end portion of the optical element is an armature, and the restricting portion has a clearance in the front and rear direction in the optical axis direction with respect to the loosely fitted armature . In claim 2,
Each of the restricting portions is formed such that gaps between the position restricting surfaces facing each other are equal, and movement amounts in the optical axis direction at the respective end portions of the optical element are equal to each other. apparatus. In claim 3,
The position of the said control part in the said optical axis direction of the said position control surface is the said each end part of the said optical element, The optical apparatus characterized by the above-mentioned. In claim 3 or 4,
The optical element has a first position in which each end portion abuts on a restriction surface on the same side in each optical axis direction of each restriction portion, and each end portion in the optical axis direction of the restriction portion. An optical apparatus having at least three image shift positions of a second and a third position that are in contact with position-regulating surfaces that are opposite to each other. In claim 1,
The distance in the optical axis direction between the position restricting surfaces of the restricting portion on the one end side of the optical element and the distance between the position restricting surfaces of the restricting portion on the other end side of the optical element are mutually An optical device characterized by being formed differently. In claim 5,
The optical element has first and second positions at which each end abuts a position regulating surface on the same side in the optical axis direction of each regulating portion, and each end has the light of the regulating portion. An optical apparatus having at least four image shift positions of third and fourth positions that are in contact with position restriction surfaces that are opposite to each other in the axial direction. In claim 6,
By making the movement range in the optical axis direction of each end portion of the optical element allowed by the plurality of position regulating surfaces into a 1: 2 relationship between the one end side and the other end side, An optical apparatus, characterized in that an inclination angle of an optical element can be equally divided between a maximum inclination position and a minimum inclination position. In claim 1,
2. An optical device according to claim 1, wherein engaging portions that are in line contact or point contact with the restricting surface are provided at both ends of the optical element that contacts the restricting surface. In claim 8,
The optical device according to claim 1, wherein the engaging portion is a cylindrical member in line contact with the position regulating surface. In claim 1 or 9,
The optical device is characterized in that the driving means includes an elastic member that urges the optical member, and an electromagnet that urges the optical member in a direction opposite to the urging direction against the elastic member. In claim 1, 4 or 6,
A plurality of the optical elements and the position restricting portions are arranged, and the entire image shift amount is determined by combining the image shift amounts of incident light corresponding to the tilt positions of the plurality of optical elements. An optical device. In claim 11,
The optical element includes a vertical optical element that shifts an incident position of incident light on the imaging plane in a vertical direction on the imaging plane, and an incident position of incident light on the imaging plane. An optical apparatus comprising: a horizontal optical element that shifts in a horizontal direction on a surface. In claim 1, 4 or 6,
The optical element is a parallel plate provided in an incident optical path, and the incident angle of the incident light on the imaging plane is shifted by controlling the inclination angle of the parallel plate with respect to the optical axis by the restriction unit. An optical device configured as described above.

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