(57)【要約】【課題】対物光学素子、固体撮像素子を移動させることなく、小型で焦点距離を高速で切り替える。【解決手段】対物光学素子１０と焦点位置である固体撮像素子３０の位置を固定とし、両者間に設置した回転光学変倍器２０により、対物光学素子１０の光軸に直角な回転駆動で光学素子を入れ替えて焦点距離を切り替えるようにしている。また、倍率変換部７０により、焦点距離の切り替え前後のいずれか一方のフレームの画像を読み出して、他方のフレームの画像のサイズに合わせるように縮小または拡大変換し、並進量演算部８０において切り替え前後の画像間で発生する並進量を算出するようにしている。【選択図】図１
2010263543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体からの光線を集光する対物光学素子と、
前記対物光学素子から所定の距離に固定され、受光面に結像した画像を光電変換して画像データとして出力する固体撮像素子と、
前記対物光学素子の光軸に対して直角な回転軸の周りを所定角度回転することにより焦点距離の異なる光学素子構成に切り替えて前記対物光学素子により結像された画像を変倍し前記固体撮像素子の受光面に結像させる回転光学変倍器と、
前記回転光学変倍器の回転を駆動制御する回転駆動装置と、
前記固体撮像素子から出力されるフレーム毎の画像データを順次保存する画像記憶部と、
前記画像記憶部から読み出した前記焦点距離の切り替え前後のフレームのいずれか一方の画像データを、切り替え前後の焦点距離の比に基づいて縮小または拡大変換する倍率変換部と、
前記倍率変換部で変換された画像データと前記他方フレームの画像データとを比較し、画像間の並進量を算出する並進量演算部とを備えたことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
回転光学変倍器は、
回転軸と直角に交わる光軸を持ち、当該回転軸を挟んで配置され、かつ一つの焦点距離を設定する第１のレンズ対と、
前記回転軸と直角に交わると共に前記第１のレンズ対の光軸と９０度隔てた光軸を持ち、前記回転軸を挟んで配置され、かつ前記第１のレンズ対で設定する焦点距離と異なる焦点距離を設定する第２のレンズ対とを有し、
前記回転軸の周りに正逆９０度回転することにより、前記対物光学素子の光軸に前記第１のレンズ対の光軸または前記第２のレンズ対の光軸を一致させることで焦点距離を切り替えることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項３】
回転光学変倍器は、
回転軸の周りを回転し、対物光学素子の光軸と４５度をなす停止位置で前記対物光学素子の光軸を９０度方向に折り返す反射面を両面に持つ反射部材と、
前記反射部材の一方の反射面の前記回転軸上の位置で９０度に折り返す光軸を持つように入射側と出射側に配置され、かつ一つの焦点距離を設定する第１のレンズ対と、
前記反射部材の他方の反射面の前記回転軸上の位置で９０度に折り返す光軸を持つように入射側と出射側に配置され、かつ前記第１のレンズ対で設定する焦点距離と異なる焦点距離を設定する第２のレンズ対とを有し、
前記回転軸の周りに１８０度回転することにより、前記対物光学素子の光軸に前記第１のレンズ対の光軸または前記第２のレンズ対の光軸を一致させることで焦点距離を切り替えるようにし、
固体撮像素子は、前記対物光学素子の折り返された光軸上で、かつ各レンズ対による結像位置に配置されてなることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項４】
回転光学変倍器は、
回転軸の周りを回転し、対物光学素子の光軸と４５度をなす停止位置で前記対物光学素子の光軸を９０度方向に折り返す反射面を両面に持つ反射部材と、
前記反射部材の一方の反射面に接合され、前記回転軸上の位置で９０度に折り返す光軸を持つように配置され、かつ一つの焦点距離を設定する第１のプリズム状レンズと、
前記反射部材の他方の反射面に接合され、前記回転軸上の位置で９０度に折り返す光軸を持つように配置され、かつ前記第１のプリズム状レンズで設定する焦点距離と異なる焦点距離を設定する第２のプリズム状レンズとを有し、
前記回転軸の周りに１８０度回転することにより、前記対物光学素子の光軸に前記第１のプリズム状レンズの光軸または前記第２のプリズム状レンズの光軸を一致させることで焦点距離を切り替えるようにし、
固体撮像素子は、前記対物光学素子の折り返された光軸上で、かつ各プリズム状レンズによる結像位置に配置されてなることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項５】
回転光学変倍器は、
回転軸の周りを回転し、対物光学素子の光軸と４５度をなす停止位置で前記対物光学素子の光軸を９０度方向に折り返す反射面を両面に持つ反射部材と、
前記反射部材の一方の反射面の前記回転軸上の位置で９０度に折り返す光軸を持つように入射側と出射側に配置され、かつ一つの焦点距離を設定する第１のレンズ対と、
前記反射部材の他方の反射面に接合され、前記回転軸上の位置で９０度に折り返す光軸を持つように配置され、かつ前記一対のレンズで設定する焦点距離と異なる焦点距離を設定するプリズム状レンズとを有し、
前記回転軸の周りに１８０度回転することにより、前記対物光学素子の光軸に前記一対のレンズの光軸または前記プリズム状レンズの光軸を一致させることで焦点距離を切り替えるようにし、
固体撮像素子は、前記対物光学素子の折り返された光軸上で、かつ前記一対のレンズおよび前記プリズム状レンズによる結像位置に配置されてなることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項６】
回転光学変倍器は、
回転軸の周りを回転し、対物光学素子の光軸と４５度をなす停止位置で前記対物光学素子の光軸を９０度方向に折り返す反射面を両面に持つ反射部材と、
前記反射部材の一方の反射面の前記回転軸上の位置で９０度に折り返す光軸を持つように入射側と出射側に配置され、かつ前記対物光学素子が設定する焦点距離と異なる焦点距離を設定するレンズ対とを有し、
前記反射部材の他方の反射面側には他の光学素子を有しない構成とし、
前記回転軸の周りに１８０度回転することにより、前記対物光学素子による焦点距離と前記レンズ対による焦点距離を切り替えるようにし、
固体撮像素子は、前記対物光学素子の折り返された光軸上で、かつ前記対物光学素子および前記レンズ対による結像位置に配置されてなることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項７】
回転光学変倍器は、
回転軸の周りを回転し、対物光学素子の光軸と４５度をなす停止位置で前記対物光学素子の光軸を９０度方向に折り返す反射面を両面に持つ反射部材と、
前記反射部材の一方の反射面に接合され、前記回転軸上の位置で９０度に折り返す光軸を持つように配置され、かつ前記対物光学素子が設定する焦点距離と異なる焦点距離を設定するプリズム状レンズとを有し、
前記反射部材の他方の反射面側には他の光学素子を有しない構成とし、
前記回転軸の周りに１８０度回転することにより、前記対物光学素子による焦点距離と前記プリズム状レンズによる焦点距離とを切り替えるようにし、
固体撮像素子は、前記対物光学素子の折り返された光軸上で、かつ前記対物光学素子および前記プリズム状レンズによる結像位置に配置されてなることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項８】
倍率変換部は、常に縮小変換となるように焦点距離の切り替え前後のフレームを選択して倍率変換を行うようにしたことを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載の撮像装置。
【請求項９】
並進量演算部は、画像記憶部と倍率変換部が出力するいずれか一方の画像データから画像の一部を切り出し、切り出した画像をテンプレートとして前記画像記憶部と倍率変換部の出力の他方の画像データに対してマッチング処理を行って画像の並進量を算出することを特徴とする請求項１から請求項８のうちのいずれか１項記載の撮像装置。
【請求項１０】
並進量演算部は、画像記憶部からの出力画像データおよび倍率変換部の出力画像データをそれぞれ複素フーリエ変換し、求めた２つの複素数データから位相差を算出し、当該位相差から画像の並進量を算出することを特徴とする請求項１から請求項８のうちのいずれか１項記載の撮像装置。
【請求項１１】
対物光学素子の光軸に対して直角な回転軸と、
前記回転軸と直角に交わる光軸を持ち、前記回転軸を挟んで配置され、かつ一つの焦点距離を設定する第１のレンズ対と、
前記回転軸と直角に交わると共に前記第１のレンズ対の光軸と９０度隔てた光軸を持ち、前記回転軸を挟んで配置され、かつ前記第１のレンズ対で設定する焦点距離と異なる焦点距離を設定する第２のレンズ対とを有し、
前記回転軸の周りに正逆９０度回転することにより、前記対物光学素子の光軸に前記第１のレンズ対の光軸または前記第２のレンズ対の光軸を一致させることで焦点距離を切り替えることを特徴とする回転光学変倍器。
【請求項１２】
対物光学素子の光軸に対して直角な回転軸と、
前記回転軸の周りを回転し、対物光学素子の光軸と４５度をなす停止位置で前記対物光学素子の光軸を９０度方向に折り返す反射面を両面に持つ反射部材と、
前記反射部材の一方の反射面の前記回転軸上の位置で９０度に折り返す光軸を持つように入射側と出射側に配置され、かつ一つの焦点距離を設定する第１のレンズ対と、
前記反射部材の他方の反射面の前記回転軸上の位置で９０度に折り返す光軸を持つように入射側と出射側に配置され、かつ前記第１のレンズ対で設定する焦点距離と異なる焦点距離を設定する第２のレンズ対とを有し、
前記回転軸の周りに１８０度回転することにより、前記対物光学素子の光軸に前記第１のレンズ対の光軸または前記第２のレンズ対の光軸を一致させることで焦点距離を切り替えることを特徴とする回転光学変倍器。
【請求項１３】
対物光学素子の光軸に対して直角な回転軸と、
前記回転軸の周りを回転し、対物光学素子の光軸と４５度をなす停止位置で前記対物光学素子の光軸を９０度方向に折り返す反射面を両面に持つ反射部材と、
前記反射部材の一方の反射面に接合され、前記回転軸上の位置で９０度に折り返す光軸を持つように配置され、かつ一つの焦点距離を設定する第１のプリズム状レンズと、
前記反射部材の他方の反射面に接合され、前記回転軸上の位置で９０度に折り返す光軸を持つように配置され、かつ前記第１のプリズム状レンズで設定する焦点距離と異なる焦点距離を設定する第２のプリズム状レンズとを有し、
前記回転軸の周りに１８０度回転することにより、前記対物光学素子の光軸に前記第１のプリズム状レンズの光軸または前記第２のプリズム状レンズの光軸を一致させることで焦点距離を切り替えることを特徴とする回転光学変倍器。
【請求項１４】
対物光学素子の光軸に対して直角な回転軸と、
前記回転軸の周りを回転し、対物光学素子の光軸と４５度をなす停止位置で前記対物光学素子の光軸を９０度方向に折り返す反射面を両面に持つ反射部材と、
前記反射部材の一方の反射面の前記回転軸上の位置で９０度に折り返す光軸を持つように入射側と出射側に配置され、かつ一つの焦点距離を設定する第１のレンズ対と、
前記反射部材の他方の反射面に接合され、前記回転軸上の位置で９０度に折り返す光軸を持つように配置され、かつ前記一対のレンズで設定する焦点距離と異なる焦点距離を設定するプリズム状レンズとを有し、
前記回転軸の周りに１８０度回転することにより、前記対物光学素子の光軸に前記一対のレンズの光軸または前記プリズム状レンズの光軸を一致させることで焦点距離を切り替えることを特徴とする回転光学変倍器。
【請求項１５】
対物光学素子の光軸に対して直角な回転軸と、
前記回転軸の周りを回転し、対物光学素子の光軸と４５度をなす停止位置で前記対物光学素子の光軸を９０度方向に折り返す反射面を両面に持つ反射部材と、
前記反射部材の一方の反射面の前記回転軸上の位置で９０度に折り返す光軸を持つように入射側と出射側に配置され、かつ前記対物光学素子が設定する焦点距離と異なる焦点距離を設定するレンズ対とを有し、
前記反射部材の他方の反射面側には他の光学素子を有しない構成とし、
前記回転軸の周りに１８０度回転することにより、前記対物光学素子による焦点距離と前記レンズ対による焦点距離を切り替えることを特徴とする回転光学変倍器。
【請求項１６】
対物光学素子の光軸に対して直角な回転軸と、
前記回転軸の周りを回転し、対物光学素子の光軸と４５度をなす停止位置で前記対物光学素子の光軸を９０度方向に折り返す反射面を両面に持つ反射部材と、
前記反射部材の一方の反射面に接合され、前記回転軸上の位置で９０度に折り返す光軸を持つように配置され、かつ前記対物光学素子が設定する焦点距離と異なる焦点距離を設定するプリズム状レンズとを有し、
前記反射部材の他方の反射面側には他の光学素子を有しない構成とし、
前記回転軸の周りに１８０度回転することにより、前記対物光学素子による焦点距離と前記プリズム状レンズによる焦点距離とを切り替えることを特徴とする回転光学変倍器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、複数の焦点距離を切り替えることで被写体の像を拡大や縮小して撮影する変倍光学系を備えた撮像装置および回転光学変倍器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
銀塩カメラやデジタルの撮像装置において、被写体を撮影する結像光学系を構成している一部の光学素子を移動することにより、像の拡大や縮小を可能とする変倍光学系が用いられている（例えば特許文献１参照）。結像光学系により形成される像の大きさは焦点距離で決まる。焦点距離は結像光学系を構成する各光学素子の屈折力と素子間隔で決まるため、素子間隔を変化させることで焦点距離を変えることができ、像の大きさを拡大・縮小することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平３−１２６１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のような、光学素子を移動することにより素子間隔を変化させて焦点距離を変える変倍光学系は、移動させる光学素子が１つだけの構成の場合には焦点位置の移動が発生する。この場合、固体撮像素子やフィルムが焦点位置に配置されているため、焦点位置が移動するとボケが発生し、結像性能が低下するという問題がある。一方、複数の光学素子を移動させる構成の場合には、焦点位置を固定し、結像性能の低下を抑制することができるが、複数の駆動部が必要となるため装置が大型化する。なお、カムなどの動力伝達部品を利用することで一つの駆動部で複数の光学素子を移動させることも可能であるが、光学素子の移動量は一般に非線形であり、制御が複雑になるという問題がある。
【０００５】
また、光学素子を移動すると焦点距離が変化するのと同時に、収差特性も変化する。当然、変倍時にも高い結像性能を得るためには光学素子の移動後も収差の発生を抑制する必要があるが、移動前と移動後で同時に低収差となる光学系の設計は難易度が高い。光学素子の移動時に光軸のずれが発生した場合にも、それが収差となり結像性能が低下する。
さらに、従来の変倍光学系の構成では、光学素子は光軸と平行に移動する。しかし、安価な駆動部品は回転移動するタイプが多く、その回転を光軸と平行な移動に変換する必要がある。そのため、螺旋溝によって回転運動を平行移動に変換する、いわゆるヘリコイド構造などが用いられるが、移動速度が低速になるという問題がある。また、ヘリコイド構造を高速に移動させる場合には、光軸のずれが発生しやすくなるという問題がある。
【０００６】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、対物光学素子、固体撮像素子を移動させることなく、小型で焦点距離を高速で切り替えることが可能な撮像装置および回転光学変倍器を得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る撮像装置は、被写体からの光線を集光する対物光学素子と、対物光学素子から所定の距離に固定され、受光面に結像した画像を光電変換して画像データとして出力する固体撮像素子と、対物光学素子の光軸に対して直角な回転軸の周りを所定角度回転することにより焦点距離の異なる光学素子構成に切り替えて対物光学素子により結像された画像を変倍し固体撮像素子の受光面に結像させる回転光学変倍器と、回転光学変倍器の回転を駆動制御する回転駆動装置と、固体撮像素子から出力されるフレーム毎の画像データを順次保存する画像記憶部と、画像記憶部から読み出した焦点距離の切り替え前後のフレームのいずれか一方の画像データを、切り替え前後の焦点距離の比に基づいて縮小または拡大変換する倍率変換部と、倍率変換部で変換された画像データと他方フレームの画像データとを比較し、画像間の並進量を算出する並進量演算部とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、対物光学素子と焦点位置である固体撮像素子の位置を固定とし、両者間に設置した回転光学変倍器により、対物光学素子の光軸に直角な回転駆動で光学素子を入れ替えて焦点距離を切り替えるようにしているため、小型で焦点距離を高速で切り替えることができる。また、倍率変換部により、焦点距離の切り替え前後のいずれか一方のフレームの画像を読み出して、他方のフレームの画像のサイズに合わせるように縮小または拡大変換し、並進量演算部において切り替え前後の画像間で発生する並進量を算出するようにしているので、この並進量を用いれば、焦点距離の切り替えで発生するタイムラグ、回転光学変倍器の軸ずれ、その他カメラの動きなどにより生じる画像の不連続性を補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１による撮像装置の変倍光学系周りの機能構成を示す説明図である。
【図２】この発明の実施の形態２による撮像装置の変倍光学系周りの機能構成を示す説明図である。
【図３】この発明の実施の形態３による撮像装置の変倍光学系周りの機能構成を示す説明図である。
【図４】この発明の実施の形態４による撮像装置の変倍光学系周りの機能構成を示す説明図である。
【図５】この発明の実施の形態４に係る他の構成の回転光学変倍器を使用した機能構成を示す説明図である。
【図６】この発明の実施の形態５による撮像装置の変倍光学系周りの機能構成を示す説明図である。
【図７】この発明の実施の形態６による撮像装置の変倍光学系周りの機能構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による撮像装置の変倍光学系周りの機能構成を示す説明図である。
図において、撮像装置は、対物光学素子１０、回転光学変倍器２０、固体撮像素子３０、回転駆動装置４０、画像記憶部６０、倍率変換部７０および並進量演算部８０を備えている。
被写体側に配置された対物光学素子（１個のレンズまたは複数レンズの集合体）１０は、被写体からの光線を集光光線に変換し、回転光学変倍器２０の入射面に伝搬させる。回転光学変倍器２０は、被写体からの光線を、対物光学素子１０の光軸１０１上に現在設定されている光学素子（１個のレンズまたは複数レンズの集合体）の対２１Ａ，２１Ｂによる焦点位置にある固体撮像素子３０の受光面に結像させる。
【００１１】
ここで、回転光学変倍器の構造について説明する。
回転光学変倍器２０は、回転軸２６の周りを回るように構成されており、この回転軸２６と直角に交わる光軸（図１では対物光学素子の光軸１０１と同じになっている）を持ち、当該回転軸２６を挟んで配置される一対のレンズ（第１のレンズ対）２１Ａ，２１Ｂを備えている。この一対のレンズ２１Ａ，２１Ｂの配置は対物光学素子１０と組み合わせることで一つの焦点距離を設定している。また、回転光学変倍器２０は、回転軸２６と直角に交わると共に一対のレンズ２１Ａ，２１Ｂの光軸（図１の１０１）と９０度隔てた光軸を持ち、回転軸２６を挟んで配置される一対のレンズ（第２のレンズ対）２２Ａ，２２Ｂを備えている。この一対のレンズ２２Ａ，２２Ｂの配置は、レンズ２１Ａ，２１Ｂが設定している焦点距離と異なる焦点距離を設定している。
【００１２】
図１に示すように、レンズ対２１Ａ，２１Ｂによる光軸が対物光学素子１０の光軸１０１と一致した位置で停止していたとすると、焦点距離はレンズ対２１Ａ，２１Ｂで設定されていることになる。次に、回転駆動装置４０により、回転光学変倍器２０を回転軸２６の回りに９０度回転（図１の状態から半時計方向に回転）し、回転光学変倍器２０が対物光学素子１０の光軸１０１にレンズ対２２Ａ，２２Ｂの光軸を一致させた位置で停止したとする。これにより光線を伝搬する光学素子は、レンズ対２１Ａ，２１Ｂから９０度隔てて配置されたレンズ対２２Ａ，２２Ｂに入れ替えられ、焦点距離がレンズ対２２Ａ，２２Ｂで設定された値に切り替わる。
この場合、焦点距離の切り替えによる焦点位置の移動は発生しない。回転軸２６は、回転光学変倍器２０の重心付近の光軸１０１上に位置する。焦点距離の切り替えの前後で光線が伝搬する光学素子は、回転光学変倍器２０内部の異なる光学素子に入れ替えられるので、光学素子の枚数・屈折力・配置は自由に設定することができ、焦点距離の切り替えの前後とも焦点位置は固定され、かつ結像性能の高い光学系を設計することが容易になる。
【００１３】
光学素子の入れ替え（すなわち焦点距離の切り替え）は上述のように回転駆動装置４０で行っているが、その運動は回転運動のみで、平行移動などに変換する必要がないため高速な切り替えを可能にする。また、回転軸２６は回転光学変倍器２０の重心付近にあるので、回転モーメントは小さく、低負荷で高速な回転を可能にする。さらに、回転軸２６は光軸１０１上に直角に位置しているので焦点距離切り替え後に軸ずれが発生しても、その量を小さく抑えることができる。
また、上記の光学系は対物光学素子１０により光線を集光するので、回転光学変倍器２０に入射する光線の光束径を縮小し、回転光学変倍器２０を小型化することができる。回転光学変倍器２０を小型化することで回転モーメントが小さくなり、低負荷で高速な焦点距離の切り替えが可能になる。また、対物光学素子１０は固定したまま使用できるので、対物光学素子が大型になる望遠タイプの撮像装置に適する。
【００１４】
固体撮像素子３０は、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサのような撮像素子で、対物光学素子１０と回転光学変倍器２０により受光面に結像させた被写体の画像を光電変換して電気信号の画像データを出力する。固体撮像素子３０で生成されたフレーム毎の画像データは順次画像記憶部６０に保存される。
倍率変換部７０は、画像記憶部６０から焦点距離の切り替え前後のいずれか一方のフレームの画像を読み出して、切り替え前後の焦点距離の比に基づいて縮小または拡大変換し、倍率変換した画像を並進量演算部８０に出力する。例を挙げて説明すると、回転光学変倍器２０で焦点距離を小から大に切り替えた場合、倍率変換部７０は、画像記憶部６０で保存されている画像データの中から、例えば焦点距離切り替え前のフレームの画像データを読み出す。そして、この画像データを、切り替え前後の焦点距離の比に基づいて縮小変換することになる。
【００１５】
ここで、倍率変換部７０の動作として、常に縮小変換となるように焦点距離切り替え前後のフレームを選択して変換対象に用いるようにしてもよい。すなわち、焦点距離が大から小に切り替えられた場合には、上記例とは逆に、焦点距離切り替え後のフレームの画像データを読み出して、切り替え前後の焦点距離の比に基づいて縮小変換するということである。こうすることで、並進量演算部８０に送られる画像は常に画素数の少ない画像となるため、処理時間や負荷を軽減することができる。さらに、倍率変換部７０で行う縮小変換処理で、画像データを間引いて縮小する方法を採れば、処理時間や負荷を軽減することもできる。処理時間を短縮することで、後述するようなタイムラグで発生する軸ずれによる画像の不連続性を小さくすることができ、補正精度が向上する。
【００１６】
次に、並進量演算部８０では、焦点距離の切り替え前後のフレームにおいて、倍率変換部７０で変換された画像データと倍率変換対象としなかった方のフレームの画像データとを比較し、画像間の並進量を算出する。
この実施の形態１の動作では、対物光学素子１０が作る被写体の実像あるいは虚像を、回転光学変倍器２０がリレーし、固体撮像素子３０の受光面上に再結像することで被写体の像を得ている。このとき、回転光学変倍器２０に軸ずれが発生していると、対物光学素子１０が作る像が固体撮像素子３０上に再結像されるときに、回転光学変倍器２０の持つ歪曲により像が平行移動する。この結果として、焦点距離の切り替えの前後で固体撮像素子３０は別の領域を撮影することになり、撮影画像の不連続性が発生する。しかし、並進量演算部８０を備えることにより、この不連続性を補うことができる。すなわち、固体撮像素子３０により取得した画像データは画像記憶部６０により保存される。そして、焦点距離の切り替えを行うと、例えば切り替え前の画像データが並進量演算部８０に、一方、切り替え後の画像データが倍率変換部７０に送られる。切り替え前の焦点距離をｆ、切り替え後の焦点距離をｆ’とすると、倍率変換部７０では、焦点距離切り替え後の画像データをｆ／ｆ’倍にした変換画像を並進量演算部８０に送る。したがって、並進量演算部８０が受け取る画像データは、焦点距離切り替え前後の画像が同じ焦点距離に基づく画像とみなせるので、両画像から並進量を知ることができる。この並進量を用いれば、回転光学変倍器２０の軸ずれによって発生する画像の不連続性の補正は可能となる。
【００１７】
焦点距離の切り替えには駆動時間を要するため必ずタイムラグが発生し、回転光学変倍器２０の軸ずれがなくともカメラ自身の動きやカメラを搭載している物体の動きなどにより画像の不連続性が生じる。このような不連続性に対しても当然、並進量演算部８０で算出される並進量により補正が可能である。
また、並進量演算部８０で算出される並進量は、画像中の目標を追尾する信号処理に用いることができることはいうまでもない。その場合、画像記憶部６０より時系列画像を並進量演算部８０に送って並進量を求め、追尾処理に用いればよい。
【００１８】
以上のように、この実施の形態１によれば、対物光学素子１０から所定位置に結像した画像データを取り出す固体撮像素子３０を固定し、対物光学素子１０と固体撮像素子３０の間に、対物光学素子１０の光軸に対して直角な回転軸の周りを所定角度回転することにより焦点距離を切り替えて対物光学素子１０による結像を変倍して固体撮像素子３０に結像させる回転光学変倍器２０を設け、固体撮像素子３０からの出力フレーム毎の画像データを画像記憶部６０に順次保存し、倍率変換部７０により、焦点距離の切り替え前後のいずれか一方の画像データを読み出して切り替え前後の焦点距離の比に基づいて縮小または拡大変換し、変換された画像データと切り替え前後の他方の画像データとを並進量演算部８０で比較し、画像間の並進量を算出するようにしている。したがって、対物光学素子１０と焦点位置である固体撮像素子３０の位置を固定とし、両者間に設置した回転光学変倍器２０により、対物光学素子１０の光軸に直角な回転駆動で光学素子を入れ替えて焦点距離を切り替えるようにしているため、小型で焦点距離を高速で切り替えることができる。また、倍率変換部７０により、焦点距離の切り替え前後のいずれか一方のフレームの画像を読み出して、他方のフレームの画像のサイズに合わせるように縮小または拡大変換し、並進量演算部８０において切り替え前後の画像間で発生する並進量を算出するようにしているので、この並進量を用いれば、焦点距離の切り替えで発生するタイムラグ、回転光学変倍器２０の軸ずれ、その他カメラの動きなどにより生じる画像の不連続性を補正することができる。さらに、算出した並進量を用いることにより、画像内の目標の追尾処理を行うことも可能となる。
【００１９】
実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２による撮像装置の概略構成を示す説明図である。図において、図１に相当する部分には同一符号を付し、同一説明は原則として省略する。
この実施の形態２の場合の回転光学変倍器２０は、回転軸２６を実質的に含み当該回転軸の周りを回転する両面が反射面である反射部材２５を備え、対物光学素子１０の光軸１０１と４５度をなす停止位置で反射面のいずれか一方が対物光学素子１０の光軸１０１を９０度方向に折り返す。そのため、固体撮像素子３０は、対物光学素子１０の折り返された光軸上で、かつ光学素子（図２の場合、レンズ２３Ａ，２３Ｂ）による結像位置に配置されることになる。また、実施の形態２の回転光学変倍器２０は、反射部材２５の一方の反射面の回転軸２６上の位置で９０度に折り返す光軸（図２では対物光学素子１０の光軸１０１と同じ折り返し）を持つように、入射側と出射側に一対のレンズ（第１のレンズ対）２３Ａ，２３Ｂを備えている。この一対のレンズ２３Ａ，２３Ｂの配置は、一つの焦点距離を設定している。また、回転光学変倍器２０は、反射部材２５の他方の反射面の回転軸２６上の位置で９０度に折り返す光軸を持つように、入射側と出射側に配置される一対のレンズ（第２のレンズ対）２４Ａ，２４Ｂを備えている。このレンズ対２４Ａ，２４Ｂの配置は、レンズ対２３Ａ，２３Ｂが設定している焦点距離と異なる焦点距離を設定している。
【００２０】
図２に示すように、レンズ対２３Ａ，２３Ｂによる光軸が折り返し部分も含めて対物光学素子１０の光軸１０１と一致した位置で停止していたとすると、焦点距離はレンズ対２３Ａ，２３Ｂで設定されていることになる。次に、回転駆動装置４０により、回転光学変倍器２０を回転軸２６の回りに１８０度回転（図２の状態から時計方向または半時計方向に回転）し、回転光学変倍器２０が対物光学素子１０の光軸１０１にレンズ対２４Ａ，２４Ｂの光軸を一致させた位置で停止したとする。これにより光線を伝搬する光学素子は、レンズ対２３Ａ，２３Ｂから１８０度隔てて配置されたレンズ対２４Ａ，２４Ｂに入れ替えられ、焦点距離はレンズ対２４Ａ，２４Ｂで設定された値に切り替わる。
【００２１】
上記実施の形態１の構成では、回転光学変倍器２０の内部を光線が直線上に伝搬し、焦点距離の切り替え前後の光束が伝搬路を共有する構成になっているため、光学素子の配置において制約がある。例えば、焦点距離切り替え前の光学素子の光束径より切り替え後の光学素子の間隔が小さい場合には、切り替え前の光束径の内部に切り替え後の光学素子を配置することになり、両立しなくなる。これに対し、この実施の形態２によれば、回転光学変倍器２０の内部で光線が９０度折り返され、焦点距離の切り替え前後の光束は伝搬路を共有しない構成になっている。したがって、切り替え前後の光学素子間で機械的に独立するため、任意の構成の光学素子（レンズ）を組み合わせることが可能になる。
なお、反射部材２５には、アルミなど反射率が高い材質を透明基板上にコートしたもの、あるいは所定の基板の両面に特定の波長域の光線を反射する誘電体膜を形成したものを使用してもよい。また、全反射条件を満足するように構成することでこの発明の反射部材としてもよい。
【００２２】
実施の形態３．
図３は、この発明の実施の形態３による撮像装置の概略構成を示す説明図である。図において、図２に相当する部分には同一符号を付し、同一説明は原則として省略する。この実施の形態３では、実施の形態２と同じように反射部材２５を備えているが、反射部材２５の両面に対してそれぞれレンズ対を備える代わりに、プリズム状の形状をしたレンズ（以下、プリズム形状レンズとする）２３，２４を使用している。プリズム状レンズ２３，２４は、光線の入射面と射出面が球面あるいは非球面形状をしており、光線を屈曲するレンズ効果を持つ光学素子であるが、これらを反射部材２５の両面に接合して一体化構成として使用すればよい。
【００２３】
この実施の形態３の場合の回転光学変倍器２０は、反射部材の一方の反射面に接合され、回転軸２６上の位置で９０度に折り返す光軸（図３では対物光学素子１０の光軸１０１と同じ折り返し）を持つように、入射側と出射側を一体化したプリズム状レンズ（第１のプリズム状レンズ）２３を備えている。このプリズム状レンズ２３は一つの焦点距離を設定している。また、回転光学変倍器２０は、前記反射部材２５の他方の反射面に接合され、回転軸２６上の位置で９０度に折り返す光軸を持つように、入射側と出射側を一体化したプリズム状レンズ（第２のプリズム状レンズ）２４を備えている。このプリズム状レンズ２４はプリズム状レンズ２３で設定する焦点距離と異なる焦点距離を設定している。
【００２４】
図３に示すように、プリズム状レンズ２３による光軸が折り返し部分も含めて対物光学素子１０の光軸１０１と一致した位置で停止していたとすると、焦点距離はプリズム状レンズ２３で設定されていることになる。次に、回転駆動装置４０により、回転光学変倍器２０を回転軸２６の回りに１８０度回転（図３の状態から時計方向または半時計方向に回転）し、回転光学変倍器２０が対物光学素子１０の光軸１０１にプリズム状レンズ２４の光軸を一致させた位置で停止したとする。これにより光線を伝搬する光学素子は、プリズム状レンズ２３から１８０度隔てて配置されたプリズム状レンズ２４に入れ替えられ、焦点距離はプリズム状レンズ２４で設定された値に切り替わる。
【００２５】
この実施の形態３によれば、上記実施の形態２と同様、回転光学変倍器２０の内部で光線が９０度折り返され、焦点距離の切り替え前後の光束は伝搬路を共有しない構成になっているので、実施の形態１のような光学素子の配置における制約を受けることはない。この回転光学変倍器２０では、プリズム状レンズを用いているので、内部が媒質で充填されているため、その屈折率により光線の広がりが抑制されて小型な光学系として構成することができる。また、一般に複数の光学素子を組み合わせて回転光学変倍器２０を構成した場合には、焦点切り替えの回転時に振動などにより面間隔がずれたり偏心したりしやすく、収差が発生して結像性能の低下の原因となることがあるが、この実施の形態３の構成のようにプリズム状レンズ２３，２４を１つの剛体とすることで、回転光学変倍器２０内部での面間隔の変化や偏心の発生はなくなる。
なお、図３では、回転光学変倍器２０にプリズム状レンズを２つ接合した構成としたが、平面反射部材２５の一方の面側をプリズム状レンズとし、他方の面側を実施の形態２の図２に示すような通常のレンズを組み合わせたものとしてもよい。
【００２６】
実施の形態４．
図４は、この発明の実施の形態４による撮像装置の変倍光学系周りの機能構成を示す説明図である。図において、図２に相当する部分には同一符号を付し、同一説明は原則として省略する。この実施の形態４の図４に示される回転光学変倍器２０は、図２においていずれか一方のレンズ対を外した場合と同じ構成になっている。
図４において、回転光学変倍器２０は、反射部材２５の一方の反射面の回転軸２６上の位置で９０度に折り返す光軸（図４では対物光学素子１０の光軸１０１と同じ折り返し）を持つように、入射側と出射側に一対のレンズ（レンズ対）２７Ａ，２７Ｂを備えている。この一対のレンズ２７Ａ，２７Ｂの配置は、対物光学素子１０が設定する焦点距離と異なる焦点距離を設定している。しかし、回転光学変倍器２０は、反射部材２５の他方の反射面側には他の光学素子を備えていない。
【００２７】
図４に示すように、レンズ対２７Ａ，２７Ｂによる光軸が折り返し部分も含めて対物光学素子１０の光軸１０１と一致した位置で停止していたとすると、焦点距離はレンズ対２７Ａ，２７Ｂで設定されていることになる。次に、回転駆動装置４０により、回転光学変倍器２０を回転軸２６の回りに１８０度回転（時計方向または半時計方向に回転）し、回転光学変倍器２０が対物光学素子１０の光軸１０１が他方の反射面と４５度をなす位置で停止する。これにより対物光学素子１０の光軸１０１は他方の反射面で９０度方向に折り返し、他方の反射面と固体撮像素子３０までの間には光学素子が不在となるので、焦点距離は対物光学素子１０が設定する値そのものに切り替わる。したがって、対物光学素子１０からの光線は対物光学素子１０のみにより設定された焦点距離により固体撮像素子３０の受光面に結像する。
【００２８】
また、この実施の形態４に係る回転光学変倍器の他の例を図５に示す。図５に示す回転光学変倍器２０は、反射部材２５の一方の反射面側にのみプリズム状レンズ２８を配置した構成となっており、図３においていずれか一方のプリズム状レンズを外した場合と同じになっている。すなわち、反射部材２５の一方の反射面に対する入射・反射の経路をそのまま対物光学素子１０からの光線の光路とした構成とすることにより、焦点距離を対物光学素子１０による焦点距離とプリズム状レンズ２８による焦点距離とに切り替えるようにしている。詳細な構成、動作は図４の場合と同様なので説明は省略する。
したがって、この実施の形態４によれば、実施の形態２および３に比べて焦点距離の設定で回転光学変倍器の構成を簡素化できる。
【００２９】
光学系の全体の光路長は一般に焦点距離に比例する傾向がある。すなわち、焦点距離が短い光学系は光路長が短く、焦点距離が長い光学系ほど光路長が長くなる傾向がある。一方、光学素子の屈折率は常に１以上あるので、多くの光学素子もしくは長さの長い光学素子を伝搬させると、光学系全体の実長は長くなる傾向がある。したがって、この実施の形態４のように焦点距離に対する片方の設定で回転変倍器２０にあるレンズ内部を伝搬し、もう片方の条件ではレンズを伝搬しない構成とし、焦点距離の短い設定でレンズ内部を伝搬させることで両者の光学系全体の実長を等しくすることが容易になる。つまり、焦点距離が切り替わっても焦点位置が変化せず、焦点ずれによる像ボケの生じない光学系の設計が容易になる。
【００３０】
実施の形態５．
図６は、この発明の実施の形態５による撮像装置の概略構成を示す説明図である。図において、図１に相当する部分には同一符号を付し、同一説明は原則として省略する。この実施の形態５の並進量演算部８０では、画像切り出し部８１とマッチング処理部８２を備えている。
画像切り出し部８１は、画像記憶部６０より送られてきた焦点距離切り替え前の画像データから画像の一部を切り出してマッチング処理部８２に出力する。マッチング処理部８２では、倍率変換部７０からの出力画像データに対し画像切り出し部８１からの出力画像データと合致する領域を探索する。
【００３１】
この実施の形態５の構成の並進量演算部８０を用いることにより、焦点距離切り替え前の画像データの一部をテンプレートとして、焦点距離切り替え後の画像に対して合致する領域を探索処理して変位量を算出する、いわゆるテンプレートマッチングを使用する構成とすることができる。焦点距離切り替えの前後で撮像領域は、軸がずれることで、あるいは時間がずれていることで主に平行移動するが、像自体は大きく変化しないため、切り替え前の画像をテンプレートとすることで変位量を高精度に得ることができる。
なお、上記例では、画像記憶部６０からの焦点距離切り替え前の画像データを画像切り出し部８１に入力し、倍率変換部７０からの焦点距離切り替え後の画像データをマッチング処理部８２に入力する構成としたが、この焦点距離切り替え前後の入力は入れ替えても同じ効果が得られる。
【００３２】
実施の形態６．
図７は、この発明の実施の形態６による撮像装置の概略構成を示す説明図である。図において、図１に相当する部分には同一符号を付し、同一説明は原則として省略する。この実施の形態６の並進量演算部８０では、複素フーリエ変換部８３，８４および位相差検出部８５を備えている。
複素フーリエ変換部８３，８４は、入力された画像を複素数領域でフーリエ変換し、その結果を出力する。位相差検出部８５は、入力された２つの複素数データからその位相成分（複素数値をＲｅiθで表したときのθ）の差分を計算する。
【００３３】
この実施の形態６の構成の並進量演算部８０を用いることにより、焦点距離切り替え前後の画像データを複素数領域でフーリエ変換し、その位相成分（複素数値をＲｅiθで表したときのθ）の差分より画像の並進量を計算する構成とすることができる。上述の通り、切り替えの前後で撮像領域は主に平行移動するが、像自体は大きく変化しない。平行移動した画像に対して複素数領域複素フーリエ変換でフーリエ変換を行うと、ほぼ位相成分に変位量に対応する一様なオフセット成分が加わった結果になるので、元の画像との差をとることで変位量が分かる。
【００３４】
複素フーリエ変換部８３，８４から位相差検出部８５に出力されるデータは位相成分のみであってもいい。上述の通り、位相成分だけで画像の並進量は分かるため、同様の効果を得ることができる。複素フーリエ変換部８３，８４から位相成分だけを出力した場合にはデータ量が半分に減少するので、出力レートを高速化することができる。
また、複素フーリエ変換部８３，８４から位相差検出部８５に出力されるデータは全周波数データでなくてもよい。一部の周波数だけ抜き出してもいいし、間引いて出力してもいい。上述の通り、画像の並進量は位相成分にほぼ一様なオフセット成分として表れるので、一部の空間周波数のオフセット成分から並進量を算出することができる。複素フーリエ変換部８３，８４から一部の空間周波数成分だけを出力した場合にはデータ量が減少するので、出力レートを高速化することができる。
なお、上記例では、複素フーリエ変換部８３，８４を２つ備える構成としたが、１つの複素フーリエ変換部で処理する構成としてもよい。２つの複素フーリエ変換部８３，８４は全く同じ動作をするため、一つの複素フーリエ変換部で処理することで回路規模を縮小することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１０  対物光学素子（レンズ）、２０  回転光学変倍器、２１Ａ，２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂ，２３Ａ，２３Ｂ，２４Ａ，２４Ｂ，２７Ａ，２７Ｂ  光学素子（レンズ）、２３，２４，２８  光学素子（プリズム状レンズ）、３０  固体撮像素子、４０  回転駆動装置、２５  平面反射部材、２６  回転軸、６０  画像記憶部、７０  倍率変換部、８０  並進量演算部、８１  画像切り出し部、８２  マッチング処理部、８３，８４  複素フーリエ変換部、８５  位相差検出部、１０１  光軸。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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