JPS6027278A - 固体撮像カメラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は固体撮像カメラに関し、特に静止した、被写体
を撮像する場合に高解像度の撮像出力信号が得られるよ
うにしたもので、いわゆる電子式スチールカメラ等に適
した固体撮像カメラを提供するものである。

（発明の技術的背景） 近年、ＣＯＤなどの電荷転送素子を利用した所謂固体撮
像素子が実用化されてぎており、これを用いた固体撮像
カメラが種々提案されてきている。

しかし、固体搬像素子の受光面ｉＩ４造は、第１図に模
式的に示したように、受光面Ｓ内に多数の微少受光素子
Ｐが規則的ではあるが離散して配置されているため、結
像面にこの受光面を一致させておいたとしても光不感領
域Ｑに至る入射光像は何ら映像信号として利用されるこ
とがない。

このような固体ｍ機素子を用いた固体撮像カメラの解像
度を高める試みとして、被写体が静止しているかもしく
は動きがきわめて遅い場合、空間絵素ずらしという手法
がある。この手法は、第１図の光不感領域Ｑに受光素子
Ｐに相当するもう１個の絵素を等価的に配置する方法で
ある。例えば第２図に示づように、一旦正規の状態で受
光素子Ｐ　ｂｓ　ｒうの映像信号を画像メモリに取り込
んだ後、撮＆Ｊべき光像を微少角偏向することによって
互いに隣接づる受光素子１間の光不感領域に到達し−Ｃ
いた光像を矢印Ｘで示ずように隣接する受光素子Ｐ上に
もたらづ。そして再度この状態で受光素子Ｐからの影像
信号を画像メモリに取り込んだ後、両映像信号を画像メ
モリ上で合成して２倍の絵素数を右Ｊる映像信号を得る
ようにしたものであつＣ１これによれば、水平方向の解
像度は原理的に２倍になる。この場合、光像の偏向に機
械的可動１段を用いると偏向のために若干の時間を要す
るため、ｍ　ｓ−ｙる対象物体としては静止した被写体
の方が好ましい。

こうした空間絵素ずらしの手法は、例えば第３図に原理
構成を示づように、撮像レンズ１０の前面にレンズ光軸
Ｏを微小角偏向させる光軸偏向手段１２を配置し、また
固体撮像素子１４から得られる撮像出力信号を記録する
フレームメモリ１６によって達成される。この構成によ
ればまず光軸偏向手段１２の初期状態すなわち光軸偏向
のない状態で被写体をｍ像し、撮像出力信号をフレーム
メモリ１６に記録し、次に光軸偏向手段１２を動作させ
ｌ１ｉｌ像レンズ１０への光軸をδだけ傾けた状態で再
度Ｎｉｌ像を行なう。撮像レンズ１０への入射光線がδ
だ番ノ傾くと、その出射光線もδだけ傾き、結果的に結
像面、プなわら固体ｍｓ素子１４の受光面上では次の（
１）式で表される距ｌ１ｌＩｔｄ ｄ＝ｆｔａｎδ　−（１’） たけ像の移動が生ずることになる。ここで、［は撮像レ
ンズから固体撮像素子までの像距離を示し、被写体から
レンズまでの物体距離が無限遠の場合にはｍ像レンズの
焦点距離に等しくなる。

ところで、上述した従来公知の空間絵素ずらし手法では
第３図に示ず光軸偏向手段１２として光軸に対して傾番
）で配置された球面ガラスあるいは１個のクサビ形プリ
ズムを利用し、これを光軸まわりに回転させることで光
軸偏向作用を得ていたので、その先軸偏向に伴う結像面
上での像移動の軌跡は円形となる。従って、例えば、水
平方向での解像度を向上させることを目的とする場合に
は、円形走査の軌跡中１点しか利用できない。さらに従
来方式の決定的な欠点としては、（１）式でも明らかな
ように、光軸偏向手段としての像の移動量は像距離ｆ換
＝ｖれば物体距離に応じて変化することになるが、一方
、固体撮像カメラにおいて、用いられる固体撮像素子が
決められると、適正な像の移＃Ｊけはその受光面構造か
ら決定されるので、結果的に上述した形態のものでは例
えばオペーク送像装置など特定の物体距離のもとでしか
利用できないことがある。従って、上述のものは例えば
物体距離が種々変化する通常のテレビジョンカメラなど
には適用できないものであった。

（発明の１」的） 以１−の技術的背景に鑑み、本発明の目的は、像の移ｖ
ｊ方向を一定（例えば水平方向）５に保ちつつ、しかも
物体距離が変化しても常に一定の像の移動量が維持でき
るような光軸偏向手段を使用し、空間絵素ずらしの手法
により高解像度な撮像出力信号を得ることにある。

（発明の構成） 本発明の構成は、特許請求の範囲に記載したように、頂
角のほぼ等しい２個のクサビ形プリズムからなる光軸偏
向手段を撮像光軸上に備えて、高解像度な撮像出力信号
が得られるような固体撮像カメラとしたことを特徴とす
るものである。

次に、本発明の主要部をなす光軸偏向手段について説明
する。

２個のクサビ形プリズムは、固体ＩＭ像カメラの撮像光
軸上にあって、かつその先軸を中心にして互いに逆方向
に等聞回転するように構成されている。すなわち、頂角
の等しい２個のクサビ形プリズムを、光軸を中心に互い
に逆方向に回転させることにより所定の像の移動方向（
一般には水平方向）でのみ頂角可変プリズムとして作用
させ、また、その回転を固体撮像カメラのフォーカス位
置情報や使用ズームレンズのズーム倍率情報、もしくは
それら画情報により制御することにより、物体距離の変
化にもかかわらず、常に一定間の像の移動を行うことが
可能となる。従って、上記光軸偏向手段を使用すること
により、固体撮像カメラの水平走査方向における撮像出
力信号の解像度を有効に高めることができる。

第４図（ａ）（ｂ）（ｃ）は光軸偏向手段の動作１京理
説明図である。クサビ形プリズム２０Ａ、２０Ｂはそれ
ぞれ頂角θであり、光軸Ｏに介挿されている。第４図（
ａ　）の位置ではそれぞれのプリズムの１口角が相殺さ
れ光軸偏向は生じない。第４図（１））の位置ではプリ
ズム２０Ａが光軸を中心としく反時ｔ１方向に、またプ
リズム２０ｂが時計方向にともに角度ψ回転した状態で
これら両プリズムの合成された頂角は水平方向でのみ変
化しており、それに応じて光軸Ｏは水平方向に角度δだ
け偏向Ｊることになる。また、第４図＜０　）の位置で
最大の偏向角δｍａｘが得られ、この最大偏向角δｍａ
ｘは δｍａＸ＝２θ（ｎ　−１＞　−（２）で表される。但
しｎはプリズムの屈折率である。

なお第４図（ｂ）において両プリズムが回転してゆく過
程での水平方向の偏向角δは、それぞれのプリズムの回
転角を１ψ１　（プリズム２０△がγプリズム２０Ｂは
一ψとすると δ＝θ　ｓ　ｉ　ｎψ　・・・（３） と表ずごとができる。

従って、像の移動量を表す前述の（１）式はｄ＝ｆｔａ
ｎ（θ　ｓｉｎψ）　−＜　３　＞となり、ここにθは
プリズムの頂角で一定であるから、回転角ψを像距離［
（これは物体距離に一義的に対応する）の変化に応じて
制御すれば、像の移動ｆｉｉｌｄを一定に保つことが可
能となる。このことを利用して、（３）式における像の
移動ｌｉｄが一定となるように、物体距離に応じてプリ
ズム回転角ψを手動もしくは自動的に調整することによ
り、本発明の目的、すなわち、撮像出力信号の高解像度
化が達成できる。

第５図はクサビ形プリズム２０Ａ、　２０３を光軸を中
心に互いに逆方向に等角度回転させるための駆動系の一
例で、モータＭギヤトレイン３０によりり４ノビ形プリ
ズム２０Ａ、　２０Ｂの周辺に固定されたギレが回転さ
れる。

（実施例の説明） 第６図は、本発明固体撮像カメラの全体系を示す−シス
テムブロック図であり、４０（よ光軸偏１向手段、４２
は撮像レンズ、４４は固体撮像素子を示す。また５０は
固体撮像素子４４からの出力を適宜増幅・成形りる映像
プロレスアンプ、５２はΔ／Ｄコンバーター、５４は画
像メモリとしてのフレームメモリ、５６ＧまＤ／Δコン
バータで、ここから高解像度の映像出力信号が得られる
。６０は各回路に供給すべきクロックパルスやテレビジ
ョン同期信号を発生する同期信号発生部、６２はフレー
ムメモリ駆動回路、また６４は固体撮他素子駆動回路で
あるｕ７０はシステム制御部７２は、撮像レンズ距離設
定検出部、７４ｔ、を光軸偏向手段の駆動および偏向角
検出部である。

次に、上記構成からなる本発明固体撮像カメラの動作に
ついて説明する。

光軸偏向手段の駆動および偏向角検出部７４は、第５図
に示すモータＭを回転させるサーボ系を構成しており、
システム制御部７０から（１）　４０のクサビ形プリズ
ムが第４図（ａ　）の位置（以下この位置をＡポジショ
ンという）に停止するのか第４図（ｂ　）の位置（以下
この位置をＢポジションという）に停止するのかの情報
、および（２）ＡポジションからＢポジションまでの回
転角度りをいくらに設定するかの２種類の情報を受ける
。このようなシステム制御部７０から供給される２種類
の情報により光軸偏向手段の駆動および偏向角検出部１
４はモータＭを回転しクサビ形プリズムをＡ１またはＢ
ポジションの位置に停止する。モータＭが回転するのに
一定の時間を必要とづるが、このモータＭが回転してい
る途中段階であることを知らせる情報を駆動および偏向
角検出部７４はシステム制御部７０に送っている。

撮像レンズ距離設定検出部１２は、撮像レンズ４２のズ
ーム倍率情報（ズームレンズの場合）とフォーカス位置
の情報を電気信号に変換し、システム制御部７０に送る
機能を有しているものである。

一般に、テレビジョンカメラにおいて、ｍ像しンズ４２
をズームレンズとした場合、ズーム倍率とフォーカス位
置は、被写体を撮像するカメラマンの意図により固定さ
れる。これらズーム倍率情報とフォーカス位置情報の電
気信号は、レンズ距離設定検出部１２次体もしくはシス
テム制御ｔｆＪＩ７０に送られ、前述した原理に基づき
光軸偏向手段４０の回転位置すをｔｌｎする。この計算
は、前述の（３）式に基づいて行われ、ズーム倍率、フ
ォーカス位置はそれぞれ（３）式中の像の移動１ｆｉｄ
および像距離［に関係しているから、それらの具体的数
値を撮像レンズ距ＩＩＩＩＩ設定検出部７２で取り込む
ことにより、像の移動ｍｄを一定にするために必要なり
リービ形プリズムの回転角’ｆｏをめることができる。

すなわら、撮像レンズから被写体までの物体距離に関連
し゛Ｃ像距離が定まり、さらに、このとき固体岡像素子
面で、受光素子Ｐ相互間の画素間隔の１／２だ番）像移
動を行なうための必要な回転角りが６１篩からまる。

この回転角外をめる翳１粋を行なう機能は、上述したよ
うにレンズ距離設定検出部７２またはシステム制御部７
０のいずれかにあればよく、計算結果としての回転角ψ
。の情報はシステム制御部７０から光軸偏向手段の駆動
および偏向角検出部７４に送られる。

画像メモリとしてのフレームメモリ５４は２回にわたる
撮像出力信号を合成するためのものであるが、フレーム
メモリ５４のデータは、フレームメモリ駆動回路６２に
より駆動されて記録された画像データをテレビジョン信
号としてＤ／Ａコンバータ５６に送り、そのＤ／Ａコン
バータ５６の出力が本発明固体撮像カメラの系としての
出力となっているが、理解を助けるためにＤ／Ａコンバ
ータ５θの出力信号をモニタに映出したときの画面位置
とフレームメモリ内部のデータとの対応を第７図に示す
。

フレームメモリ内部の１個のデータ位置が、画面上では
、１個の０またはＸの点となって示されており、メモリ
データの内容は搬像素子の出力と関係しており画面の明
暗が決まっている。また、［像素子内においては○とＸ
の位置関係は、これらが前述の（１）　６３よび（３）
式の像の移動量ｄに相当する距離だ番ノ離れていること
は言うまでもない。

このフレームメモリにおいて、Ｏ印の位置にあるデータ
は、例えばクサビ形プリズムがＡポジションにあるとき
の画像を記録している。また、Ｘ印の位置にあるデータ
はＢポジションの画像を記録したデータである。フレー
ムメモリから信号を読み出すときは、ｏｘｏｘ・・・の
順で読み出しを行なう。なお、撮像信号の記録に関して
は、Ａ／Ｄコンバータ５２から供給される画像データ（
ディジタルｍ）をＯ印位置に相当するところに記録する
かＸ位置に相当づるところに記録するかは、システム制
御部７０からの信号により制御されるが、システム制御
１０には、クサビ形プリズムが、ΔのポジションにＪる
か、Ｂのポジションにりるかを指令している情報があり
、これによってフレームメモリ５４にも指令を出せばよ
い。なお、フレームメモリの水平方向の１ラインにある
データ数は、固体１１（ＩＧ！素子の水平画素数をＮと
して、１絵素を１個のデータとしてディジタル化した場
合には、２回個となり、１回目の書き込みによりＯ印の
部分のＮ個のデータを、２回目の書き込みのときにＸ印
のＮ個のデータをそれぞれ記録づるようにする。

次に、第６図のシステムを制御してＤ／Ａコンバータ５
６の出力映像信号として、水平解像度を２倍にした映像
信号を得るまでの手順を第８図により説明する。

カメラマンがズームレンズのズーム倍率、フォーカス位
置を決定すれば、この情報からシステム制御部７０は、
光軸偏向手段４０の必要な回転角りを計算して駆動およ
び検出部１４に出力する。これにより駆動および検出部
１４が動作をｌ７１１始しモータＭが回転してＡ１又は
Ｂのポジションにモータが停止する。これは、どちらの
ポジションでもよく、例えばモータの回転角度の少ない
方を選べばよい。

ＡポジションとＢポジションのいずれにモータＭが停止
したかによって、２つのケースに分かれて２度の記録を
行なうことになるが、この場合の途中の経緯は図示のと
おりである。２つのケースに分かれたのは、モータが大
きく回転（る必要があるのは※印の個所を１回だけ通る
にうに工夫をしたためであり、もし、スタートを必ずＡ
ポジションとしたと１れば、くりかえして記録するとき
１回の記録で必ず２回モー・夕を回転させる必要を〈１
：、じ、これは時間的にも不利なことである。

本発明は上述した例にのみ限られるものでなく、各種変
形し−Ｃ実施してもよい。例えば、上述例では、撮像レ
ンズをズームレンズとし、またフレームス゛［りを使用
するものとしたが、いわゆるズームレンズでない固有の
焦点距離をもつレンズの場合は、（３）式における像距
離ｆに相当するフォーカス位置情報のみを用いてクサビ
形プリズムの回転角　を制御すればよい。また、フレー
ムメモリは他の画像メモリ、例えばフィールドメモリや
ラインメモリに変更してもよく、要は、本発明の特許請
求の範囲を逸脱しないように実施することで本発明の目
的を十分達成することができる。

また、本発明で使用する光軸偏向手段は固体撮像素子受
光面にＪ３　Ｇノる像の移動方向が一定であるので像の
移動量は２個の位置（例えばＡポジションとＢポジショ
ン）のみに限定されず、さらに増し、空間絵素ずらしを
複数回行い、解像度を一層高めることもできる。また、
第４図＜ａ　）〜（Ｃ）間すなわらクサビ形プリズムが
９０’回転される間に１セツトの画ｆ＃信号の記録がな
されるとずればクサビ形プリズムの回転位相に応じてフ
レームメモリ内での画像信号の合成を考慮づることによ
り、クサビ形プリズムの３６０”回転中に４セツ１へ分
の画像信号の記録ずなわち４画面分撮像することも原理
的に可能となる。

さらにクサビ形プリズムを回転駆動するモータをパルス
モータにすればプリズム回転位行検出はモータ駆動パル
スを４数することで得られプリズムまわりにその位置検
出部材を別に設りる必要がなくなる。

（発明による効果） 以上説明したように本発明によれば、光軸を中心にして
互いに逆方向に等量回転するようにした頂角がほぼ等し
い２個のクサビ形プリズムを光軸偏向手段として使用し
、空間絵素ずらしの手法を実現しているため、通常のテ
レビジョンカメラやスヂールカメラのように、物体距離
が任意の値をとりうるカメラに対し、空間絵素ずらし法
によっ（解＠麿を十分に改善することができる。

また、！１ＩＩＩ＆レンズにズームレンズを使用した場
合、従来の空間絵素ずらし方は適用できず、従ってその
効果も期待できなかったが、本発明によれば、第６図に
実施例で示したように、ズーム倍率情報によってりタビ
形プリズムの回転角を制御づることで固有の焦点を有す
る撮像レンズの場合と同様に何らの困難なく撮像出力信
号の解像度を高めることができる。

以上においては、本発明による解ｌ＆度向上が期待（゛
きるカメラは、静止している被写体を撮像する、いわゆ
る静止画用カメラに限って説明したが、クサビ形プリズ
ムの回転速度を速くし、シャッター速度も高速シャッタ
ーがＦｆされるものとすれば、きわめて短時間の間に２
回の撮像を行うことで若１’の動きに対しても十分に解
像度の高いｍ像出力信号を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は固体撮像素子の受光面の構造図、第２図は空間
絵素ずらしの手法のＪ２２回、第３図は同じく空間絵素
ずらしの手法実現のための原理的構成図、第４図（ａ）
、（ｂ）、（Ｃ）は本発明固体撮像カメラに使用する光
軸偏向手段の原理説明図、第５図はクサビ形プリズムを
回転させるための駆動系の一例を示ず構造図、第６図は
本発明固体撮像カメラの全体系を示すブロック線図、第
７図はフレームメモリ内のデータ配列を示？＃説明図、
第８図は本発明により解像度を２倍にした映像信号を得
るための手順を示すフ［１−ヂＶ！−トである。 １０・・・撮像レンズ、１２・・・光軸偏向手段、１４
・・・固体撮像素子、１６・・・フレームメモリ、２Ｏ
Ａ、　２０３・・・クサビ形プリズム、３０・・・ギヤ
トレイン、４０・・・光軸偏向手段、４２・・・撮像レ
ンズ、４４・・・固体ｒｉ像素子、５０・・・映像プロ
セスアンプ、５２・・・Ａ／Ｄコンバータ、５４・・・
フレームメモリ、５６・・・Ｄ／Ａコンバータ、６０・
・・同期信号発生部、６２・・・フレームメモリ駆動回
路、６４・・・固体１ｌｉｌＩ＆素子駆動回路、７０・
・・システム制御部、７２・・・’ＡＨ’Ｊ＋レンズ距
離設定検出部、７４・・・光軸偏向手段の駆動および偏
向角検出部、Ｓ・・・受光面、Ｐ・・・受光素子、Ｑ・
・・光不感領域、０・・・レンズ光軸、δ・・・偏向角
、θ・・・クサビ形プリズム頂角、ψ・・・同プリズム
回転角、Ｍ・・・モータ。 ｗ４＋図 第２図 第３図 第４因

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ＷｉＩＪＩ光学系の光軸上に、この光軸を中心とし
   て互いに逆方向に等量回転するように設けられた頂角の
   ほぼ等しい２個のクサビ形プリズムを備え、これらのプ
   リズムの複数の回転位置において撮像して得られた撮像
   出力信号を合成して、高解像度画像信号を得るようにし
   たことを特徴とする固体層像カメラ。 ２〉前記２個のクサビ形プリズムの回転を、固体搬像カ
   メラからのフォーカス位置情報により制御ＪるＪ：うに
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の固体
   撮像カメラ。 ３）前記２個のクリ°ビ形プリズムの回転を、固体搬像
   カメラからのフォーカス位置情報およびズームイ８率情
   報により制御１１るようにしたことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の固体撮像カメ