(57)【要約】【課題】長期の信頼性を確保すると共に低振動を実現し、さらに省スペース化を図る。【解決手段】回転体に設けた第１の着磁部６１との間に回転方向の磁力を生じさせて回転体を回転させる磁気回転駆動部６４を、周方向に等間隔に配置すると共に、この磁気回転駆動部同士の間に画成される空間に、第１の着磁部の磁気に基づいて回転体の径方向位置を検出する第１の磁気センサ６５と、第２の着磁部６２の磁気に基づいて回転体の軸方向位置を検出する第２の磁気センサ６６と、第１の着磁部との間に径方向の磁力を生じさせて回転体の径方向位置を制御する第１の電磁石６７と、第２の着磁部との間に軸方向の磁力を生じさせて回転体の軸方向位置を制御する第２の電磁石６８と、を配置する。【選択図】図５
2011259573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体と、
この回転体の径方向の外側に臨むように前記回転体に設けられた第１の着磁部と、
前記回転体の軸方向の一端側に臨むように前記回転体に設けられた第２の着磁部と、
前記第１の着磁部との間に回転方向の磁力を生じさせて前記回転体を回転させる磁気回転駆動部と、
前記第１の着磁部の磁気に基づいて前記回転体の径方向位置を検出する第１の位置検出部と、
前記第２の着磁部の磁気に基づいて前記回転体の軸方向位置を検出する第２の位置検出部と、
前記第１の位置検出部の検出結果に基づいて前記第１の着磁部との間に径方向の磁力を生じさせて前記回転体の径方向位置を制御する第１の位置制御部と、
前記第２の位置検出部の検出結果に基づいて前記第２の着磁部との間に軸方向の磁力を生じさせて前記回転体の軸方向位置を制御する第２の位置制御部と、を備え、
前記磁気回転駆動部が、前記回転体の周方向に等間隔に配置され、この磁気回転駆動部同士の間に画成される空間に、前記第１及び第２の位置検出部と前記第１及び第２の位置制御部とが配置されたことを特徴とする回転駆動装置。
【請求項２】
前記第１の位置制御部は、前記第１の着磁部に対向して配置された第１の磁性体と、この第１の磁性体に巻回されたコイルとで構成され、
前記第１の位置検出部は、前記第１の磁性体における前記第１の着磁部と相反する側の端部に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の回転駆動装置。
【請求項３】
前記第２の位置制御部は、前記第２の着磁部に対向して配置された第２の磁性体と、この第２の磁性体に巻回されたコイルとで構成され、
前記第２の位置検出部は、前記第２の磁性体における前記第２の着磁部と相反する側の端部に配置されたことを特徴とする請求項１若しくは請求項２に記載の回転駆動装置。
【請求項４】
前記位置検出部の出力に基づいて前記回転体の位置を判定する位置判定部と、この位置判定部の判定結果に従って、前記位置制御部に設けられた前記コイルの通電量を制御する通電制御部と、を有し、
前記位置判定部による位置判定動作と、前記通電制御部による位置制御動作とを時分割で行なうようにしたことを特徴とする請求項２若しくは請求項３に記載の回転駆動装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の回転駆動装置と、被写体からの光を光電変換して画素信号を出力する撮像素子と、を備え、前記回転体が、前記撮像素子の受光面上で結像する光像を前記撮像素子に対して相対的に変位させる光学部材を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項６】
前記光学部材を収納すると共に空気よりも高い屈折率を有する流体が封入されたカプセル部材を備え、このカプセル部材の外面に当接するように、前記磁気回転駆動部と前記第１及び第２の位置制御部とが配設されたことを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸方向及び径方向に変位可能な回転体を、その軸方向位置及び径方向位置を制御しながら回転駆動する回転駆動装置及びこれを備えた撮像装置に関し、特に撮像素子の受光面上で結像する光像と撮像素子とを相対的に微小変位させながら撮像を行う、いわゆる画素ずらしによって取得した複数の原画像から超解像処理により高解像度画像を生成するのに適した回転駆動装置及びこれを備えた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
撮像装置には画素がマトリクス状に配置された２次元イメージセンサが採用されており、この２次元イメージセンサでは、解像度が画素の大きさや画素数に依存する。一方、撮像素子の受光面上で結像する光像と撮像素子とを相対的に微小変位させながら撮像を行う、いわゆる画素ずらしによって取得した複数の原画像から、撮像素子の本来の解像度より高い解像度の画像を生成する手法が従来から知られている。
【０００３】
このような画素ずらしによる高解像度化の手法においては、光像と撮像素子とを相対的に微小変位させるシフト機構（以下、「光学的シフト機構」という。なお、「光学的シフト」を「画素ずらし」と同義に用いる場合がある。）が必要であり、例えば、ピエゾ素子などからなるアクチュエータで撮像素子を微小変位させる技術が知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
また、撮像光学系と撮像素子との間に撮像光学系の光軸に対して傾斜するように平行平板を配置し、この平行平板を光軸周りに回転させて、撮像素子の受光面上の光像の位置をずらす技術が存在する（特許文献２・３参照）。
【０００５】
また、画素ずらしによって取得した複数の原画像から高解像度画像を生成する画像処理法として、低解像度画像の画素値を高解像度画像の画素にマッピングするイメージシフト処理や、ＭＬ(Maximum-likelihood)法、ＭＡＰ(Maximum A Posterior)法や、ＰＯＣＳ(Projection On to Convex Sets)法などを用いた超解像処理の技術が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−３０６４９２号公報
【特許文献２】特開２０００−１２５１７０号公報
【特許文献３】特開２０００−２７８６１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、このような画素ずらしによる高解像度化の手法は、例えば監視カメラシステムに適用すると、交通事故の検証の用途等で高解像度画像の必要が生じた場合に、保存された低解像度画像から高解像度画像を得ることができるため、利便性を高めることができる。
【０００８】
このような監視カメラの用途に撮像装置を用いる場合、例えば１０年間といった長期にわたる連続稼動でも安定した動作が可能な長期の信頼性（長寿命化）が要求される。また、静寂な環境でも支障なく使用することができるように低騒音が望まれる。しかしながら、特許文献２・３に開示された従来技術のように、モータの駆動力をギア機構を用いて平行平板に伝達して平行平板を回転駆動させる構成では、長期の信頼性を十分に確保することができず、また低騒音を図るにも限界があった。
【０００９】
また、長期の信頼性を確保すると共に低振動を実現するには、ベアリングレスモータの技術を応用することが考えられる。このベアリングレスモータは、ブラシレスモータに磁気軸受の機能を一体化して機械的な軸受けを省略したものであるが、回転子が正規の位置からずれることがあるため、回転子の位置を検出する手段と、その検出結果に基づいて回転子の位置を制御する手段とが必要になり、省スペース化を図ることが難しいという問題があった。
【００１０】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、長期の信頼性を確保すると共に低振動を実現し、さらに省スペース化を図ることができるように構成された回転駆動装置及びこれを備えた撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の回転駆動装置は、回転体と、この回転体の径方向の外側に臨むように前記回転体に設けられた第１の着磁部と、前記回転体の軸方向の一端側に臨むように前記回転体に設けられた第２の着磁部と、前記第１の着磁部との間に回転方向の磁力を生じさせて前記回転体を回転させる磁気回転駆動部と、前記第１の着磁部の磁気に基づいて前記回転体の径方向位置を検出する第１の位置検出部と、前記第２の着磁部の磁気に基づいて前記回転体の軸方向位置を検出する第２の位置検出部と、前記第１の位置検出部の検出結果に基づいて前記第１の着磁部との間に径方向の磁力を生じさせて前記回転体の径方向位置を制御する第１の位置制御部と、前記第２の位置検出部の検出結果に基づいて前記第２の着磁部との間に軸方向の磁力を生じさせて前記回転体の軸方向位置を制御する第２の位置制御部と、を備え、前記磁気回転駆動部が、前記回転体の周方向に等間隔に配置され、この磁気回転駆動部同士の間に画成される空間に、前記第１及び第２の位置検出部と前記第１及び第２の位置制御部とが配置された構成とする。
【００１２】
また、本発明の撮像装置は、前記構成の回転駆動装置と、被写体からの光を光電変換して画素信号を出力する撮像素子と、を備え、前記回転体が、前記撮像素子の受光面上で結像する光像を前記撮像素子に対して相対的に変位させる光学部材を有する構成とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、回転体の軸方向位置及び径方向位置が第１及び第２の位置制御部により制御されるため、機械的な軸受けが不要となり、長寿命でかつ低振動な回転駆動装置を実現することができる。そして、磁気回転駆動部の間の空間に、第１及び第２の位置検出部と第１及び第２の位置制御部とが配置されるため、回転体の周囲のスペースを有効利用して省スペース化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明によるネットワークカメラシステムの全体構成図
【図２】図１に示した撮像装置及び画像処理装置の概略構成を示すブロック図
【図３】図１に示した撮像装置及び画像処理装置における処理状況を示す模式図
【図４】本発明の第１実施形態に係る回転駆動装置を備えた撮像装置の撮像部を示す縦断面図
【図５】図４に示した光学的シフト機構の平面図
【図６】図５に示した回転駆動装置、及びその回転駆動装置の元になる従来構成の３相モータを適用した例を示す平面図
【図７】図２に示したシフト制御部の構成図
【図８】図４に示した回転駆動装置の要部及びシフト制御部を示す図
【図９】図４に示した撮像素子への光の入射状況を示す断面図
【図１０】光像に対する画素の相対的な円運動の状況を示す模式図
【図１１】光像に対する画素の相対的な円運動の状況を示す模式図
【図１２】撮像とこれにより生成する画像の状況を示す模式図
【図１３】撮像周期と円運動周期との比率の一例での撮像基準位置の状況を示す模式図
【図１４】本発明の第２実施形態に係る回転駆動装置の平面図
【図１５】本発明の第３実施形態に係る回転駆動装置の平面図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
上記課題を解決するためになされた第１の発明は、回転体と、この回転体の径方向の外側に臨むように前記回転体に設けられた第１の着磁部と、前記回転体の軸方向の一端側に臨むように前記回転体に設けられた第２の着磁部と、前記第１の着磁部との間に回転方向の磁力を生じさせて前記回転体を回転させる磁気回転駆動部と、前記第１の着磁部の磁気に基づいて前記回転体の径方向位置を検出する第１の位置検出部と、前記第２の着磁部の磁気に基づいて前記回転体の軸方向位置を検出する第２の位置検出部と、前記第１の位置検出部の検出結果に基づいて前記第１の着磁部との間に径方向の磁力を生じさせて前記回転体の径方向位置を制御する第１の位置制御部と、前記第２の位置検出部の検出結果に基づいて前記第２の着磁部との間に軸方向の磁力を生じさせて前記回転体の軸方向位置を制御する第２の位置制御部と、を備え、前記磁気回転駆動部が、前記回転体の周方向に等間隔に配置され、この磁気回転駆動部同士の間に画成される空間に、前記第１及び第２の位置検出部と前記第１及び第２の位置制御部とが配置された構成とする。
【００１６】
これによると、回転体の軸方向位置及び径方向位置が第１及び第２の位置制御部により制御されるため、機械的な軸受けが不要となり、長寿命でかつ低振動な回転駆動装置を実現することができる。そして、磁気回転駆動部の間の空間に、第１及び第２の位置検出部と第１及び第２の位置制御部とが配置されるため、回転体の周囲のスペースを有効利用して省スペース化を図ることができる。
【００１７】
また、第２の発明は、前記第１の発明において、前記第１の位置制御部は、前記第１の着磁部に対向して配置された第１の磁性体と、この第１の磁性体に巻回されたコイルとで構成され、前記第１の位置検出部は、前記第１の磁性体における前記第１の着磁部と相反する側の端部に配置された構成とする。
【００１８】
これによると、第１の位置検出部と第１の位置制御部とが径方向に重なり合うため、配置スペースが小さくなり、省スペース化を図ることができる。そして、第１の位置検出部が第１の磁性体を介して第１の着磁部の磁気を検出する、すなわち第１の着磁部の磁気が第１の磁性体により案内されて第１の位置検出部に導かれるため、第１の位置検出部の検出精度を低下させずに済む。さらに、第１の位置検出部により検出される回転体の位置と、第１の位置制御部により回転体に径方向力を作用させる位置とが同一となるため、位置制御のための演算処理を簡略化することができ、回転体の位置制御を容易に且つ高精度に行うことが可能となる。
【００１９】
また、第３の発明は、前記第１若しくは第２の発明において、前記第２の位置制御部は、前記第２の着磁部に対向して配置された第２の磁性体と、この第２の磁性体に巻回されたコイルとで構成され、前記第２の位置検出部は、前記第２の磁性体における前記第２の着磁部と相反する側の端部に配置された構成とする。
【００２０】
これによると、第２の位置検出部と第２の位置制御部とが軸方向に重なり合うため、配置スペースが小さくなり、省スペース化を図ることができる。そして、第２の位置検出部が第２の磁性体を介して第２の着磁部の磁気を検出する、すなわち第２の着磁部の磁気が第２の磁性体により案内されて第２の位置検出部に導かれるため、第２の位置検出部の検出精度を低下させずに済む。さらに、第２の位置検出部により検出される回転体の位置と、第２の位置制御部により回転体に軸方向力を作用させる位置とが同一となるため、位置制御のための演算処理を簡略化することができ、回転体の位置制御を容易に且つ高精度に行うことが可能となる。
【００２１】
また、第４の発明は、前記第２若しくは第３の発明において、前記位置検出部の出力に基づいて前記回転体の位置を判定する位置判定部と、この位置判定部の判定結果に従って、前記位置制御部に設けられた前記コイルの通電量を制御する通電制御部と、を有し、前記位置判定部による位置判定動作と、前記通電制御部による位置制御動作とを時分割で行なうようにした構成とする。
【００２２】
これによると、位置制御部のコイルに通電することで発生する磁界の影響で、位置検出部が着磁部の磁気を正確に検出することができなくなることを避けることができる。
【００２３】
また、第５の発明は、撮像装置であって、前記第１乃至第４の発明に係る回転駆動装置と、被写体からの光を光電変換して画素信号を出力する撮像素子と、を備え、前記回転体が、前記撮像素子の受光面上で結像する光像を前記撮像素子に対して相対的に変位させる光学部材を有する構成とする。
【００２４】
これによると、画素ずらしにより撮像位置が微小に異なる画像を取得することができる。この場合、回転駆動装置により回転体を１方向に一定速度で連続回転させながら、一定のタイミングで撮像素子に撮像（サンプリング）を行わせるようにすればよい。
【００２５】
また、第６の発明は、前記第５の発明において、前記光学部材を収納すると共に空気よりも高い屈折率を有する流体が封入されたカプセル部材を備え、このカプセル部材の外面に当接するように、前記磁気回転駆動部と前記第１及び第２の位置制御部とが配設された構成とする。
【００２６】
これによると、カプセル部材の寸法精度を良好に管理することで、各構成要素と光学部材との位置関係を高い精度で定めることが可能となり、光学部材の回転駆動制御や位置制御の精度を高めることができる。
【００２７】
なお、回転体が、流体中に浮遊状態で設けられた構成では、回転体の揺動に応じて径方向及び軸方向が変化する。このため、位置検出部で検出される回転体の位置、並びに位置制御部で制御される回転体の位置は、厳密には、正規の位置にある回転体の径方向位置及び軸方向位置である。また、前記のように回転体が光学部材を有する構成では、回転体の回転軸方向が光学部材の光軸方向となり、回転体の径方向位置が光学部材の光軸に直交する方向となる。
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。以下の説明では、用語「軸方向」は光軸方向（図４中の上下方向に相当）を示す共に、用語「径方向」は光軸と直交する方向（図４中の左右方向に相当）を示すものとする。径方向は、光軸を中心とした３６０゜内の任意の角度を取り得る。
【００２９】
図１は、本発明によるネットワークカメラシステムの全体構成図である。図１に示すように、本発明が適用されるネットワークカメラシステムは、少なくとも１台の撮像装置（ネットワークカメラ）１と、画像処理装置（ホスト装置）２とで構成される。撮像装置１と画像処理装置２とは、インターネットを介して接続され、撮像装置１で生成した撮像データが、例えば遠隔地に存する画像処理装置２に送信されて、画像処理装置２で映像が表示される。また、撮像装置１を制御する各種のコマンド信号が画像処理装置２から撮像装置１に送信される。
【００３０】
なお、撮像データは、例えばＴＣＰ（ＵＤＰ）／ＩＰといった、いわゆるインターネットプロトコルを利用して撮像装置から画像処理装置に送信されるが、撮像データを、例えば暗号化、カプセル化してＶＰＮ（Vertual Private Network）を利用して送信してもよく、専用回線によって撮像装置１と画像処理装置２が１対１の関係で接続される、いわゆるＣＣＴＶ（Closed Circuit TV）と称されるネットワークカメラシステムとしてもよい。
【００３１】
図２は、図１に示した撮像装置及び画像処理装置の概略構成を示すブロック図である。図２に示すように、撮像装置１は、撮像部１１と、画像処理部１２と、データ圧縮送信部１３と、シフト制御部１４とを備えている。撮像部１１は、被写体からの光を光電変換してアナログの画素信号を出力する撮像素子３１を備えている。この撮像素子３１は、２次元ＣＭＯＳイメージセンサである。なお、これに替えて２次元ＣＣＤイメージセンサを撮像素子３１に用いてもよい。
【００３２】
撮像素子３１から出力されるアナログ信号はＡ／Ｄ変換器３２でディジタル信号に変換され、このディジタル信号は画像処理部１２に入力され、ここで色補正、デモザイク処理、階調補正（γ補正）、ＹＣ分離処理等を施されて画像データに変換される。この画像データは、データ圧縮送信部１３において例えばＨ．２６４やＭＰＥＧ４等の圧縮処理を施された上で画像処理装置２に送信される。
【００３３】
また、撮像部１１は、撮像素子３１の受光面上で結像する光像と撮像素子３１とを相対的に微小変位させる光学的シフト機構３５を備えており、この光学的シフト機構３５の各部の動作がシフト制御部１４により制御される。
【００３４】
この光学的シフト機構３５の構成及びシフト制御部１４による制御については、後に詳述するが、概略を説明すると、光像を微小変位させる光学部材（図４中の符号５１で示す）を備えた回転体（図４中の符号５３で示す）が磁気回転駆動部６４により回転駆動され、回転体の径方向及び軸方向の位置が第１及び第２の磁気センサ６５、６６で検出され、回転体の径方向および軸方向の位置が第１及び第２の電磁石６７、６８で制御され、回転体の回転位置が原点センサ７０で検出される。
【００３５】
回転体には着磁部（図４中の符号６１、６２で示す）が設けられており、第１及び第２の磁気センサ６５、６６がその着磁部の磁気を検出してシフト制御部１４に出力し、シフト制御部１４は、磁気センサ６５、６６の出力が示す回転体の位置情報に基づいて磁気回転駆動部６４を制御して光学部材を回転させると共に、第１及び第２の電磁石６７，６８を制御して光学部材を所定の位置に保持する。
【００３６】
画像処理装置２は、データ受信復号部２１と、表示部２２と、記憶部２３と、超解像処理部２４と、周期設定部２５と、入力部２６とを備えている。なお、この画像処理装置２は、パソコンやワークステーション等の情報処理装置に所要のアプリケーションソフトウェアを導入することで構成される他、ＣＣＴＶレコーダなど専用の装置であってもよい。
【００３７】
画像処理装置２では、撮像装置１から送信された圧縮画像データが、データ受信復号部２１にて受信されて復号された後、ＲＧＢの画像データに変換されて、リアルタイムにディスプレイ等からなる表示部２２に表示される。さらに、ＲＧＢの画像データは、ハードディスクドライブ装置等からなる記憶部２３に送られて、ここに一時的に蓄積され、必要に応じて記憶部２３から読み出して表示部２２で再生することができる。
【００３８】
また、例えば交通事故の検証の用途等で高解像度画像の必要が生じた場合には、記憶部２３から画像データを読み出して超解像処理部２４にて超解像処理を施して高解像度画像（静止画像）を生成し、その高解像度画像を表示部２２に表示させることができる。
【００３９】
また、入力部２６は、後に詳述するが、ユーザからの撮像周期の入力を受け付けて、これを周期設定部２５に送る。周期設定部２５は、入力部２６から送られてきた撮像周期に基づいて円運動周期を決定し、円運動周期に関するコマンド信号を撮像装置１に送信する。撮像装置１のシフト制御部１４は、円運動周期に関するコマンド信号に基づいて、光学的シフト機構３５を動作させることにより、指定された円運動周期に対応する回転速度で光学部材を回転駆動する。
【００４０】
図３は、撮像装置１及び画像処理装置２における処理状況を示す模式図である。図３に示すように、撮像素子３１は駆動回路３３によって駆動され、駆動回路３３が生成するタイミング信号に応じて一定の周期（以下、撮像周期）で撮像（サンプリング）が行われる。例えばフレームレートを３０frame/secとして１秒あたり３０枚のフレーム画像を生成する場合、撮像周期は３０ｍｓ程度に設定される。
【００４１】
画像処理装置２の超解像処理部２４では、時間的に連続する複数のフレーム画像から高解像度画像を生成する超解像処理が行われる。この超解像処理では、まず、記憶部２３に蓄積されたフレーム画像がコマ送りで静止画として表示される。そして、その中からユーザにより基準画像が指定されると、その基準画像となるフレーム画像とその前後の複数のフレーム画像が記憶部２３から読み出されて超解像処理部２４に送られて超解像処理が行われる。
【００４２】
超解像処理としては、例えば、ＭＬ（Maximum-likelihood）法、ＭＡＰ（Maximum A Posterior）法や、ＰＯＣＳ（Projection On to Convex Sets）法などが採用され、アプリケーションソフトウェアをＣＰＵで実行することで実現される。一般に超解像処理は演算量が多いため、処理の一部をＧＰＵ（Graphics Processing Unit）や、専用ハードウェアを用いて行うようにしてもよい。
【００４３】
ここで、ＭＬ法とは、高解像度画像から推定された低解像度画像の画素値と、実際に観測された画素値との二乗誤差を評価関数とし、この評価関数を最小化するような高解像度画像を推定画像とする方法である。つまり、ＭＬ法とは、最尤推定の原理に基づく超解像処理方法である。また、ＭＡＰ法とは、二乗誤差に高解像度画像の確率情報を付加した評価関数を最小化するような高解像度画像を推定する方法である。つまり、ＭＡＰ法とは、高解像度画像に対するある先見情報を利用して、事後確率を最大化する最適化問題として高解像度画像を推定する超解像処理方法である。ＰＯＣＳ法とは、高解像度画像と低解像度画像との画素値に関して連立方程式を作成し、その方程式を逐次的に解くことにより、高解像度画像を得る超解像処理方法である。
【００４４】
これらの超解像処理は、まず、高解像度画像を仮定し、そして仮定した高解像度画像から、カメラモデルから得られる点広がり関数（ＰＳＦ関数）に基づき、全ての低解像度画像の画素について、その画素値を推定し、その推定値と観測された画素値（観測値）との差が小さくなるような高解像度画像を探索するという処理を有している。そのため、これらの超解像処理は、再構成型超解像処理と呼ばれている。
【００４５】
ここで高解像度画像を探索する処理は、低解像度画像として得られた画素が高解像度画像においてどの位置に対応するのかを探索するものであり、いわゆる「位置合わせ」と呼ばれる処理である。一般に超解像処理では、複数の低解像度画像間の画素位置の変化が不明であっても高解像度化を可能とするため、着目画素の周囲に対して広範囲に位置合わせ処理を繰り返し実行する。このため計算コストが極めて大きくなることが知られている。一方、後に詳しく説明するように、本発明では光学的シフト機構３５によってシフトされた画素の位置は既知であり、そして、その既知の位置で各フレーム画像、すなわち低解像度画像を撮像するようにしたため、少なくとも静止している被写体については、光学的シフトによって位置合わせ処理の多くを省略することが可能となり、計算コストを大幅に削減することができる。
【００４６】
ちなみに、時間的に連続する複数のフレーム間に及ぶ画像情報を利用する超解像処理は、特にフレーム間再構成型超解像処理と呼称されることもある。一方で、１つのフレーム内で再構成型超解像処理を行う場合は、フレーム内再構成型超解像と呼称される。本実施形態では、フレーム間再構成型超解像を採用している。
【００４７】
なお、ここでは、画像処理装置２において超解像処理によって高解像度化された静止画像を再生するものとしているが、画像処理装置２の処理能力が十分に高ければ、超解像処理で得られた高解像度画像をフレーム画像として動画を再生することも可能である。
【００４８】
＜第１実施形態＞
図４は、本発明の第１実施形態に係る回転駆動装置を備えた撮像装置１の撮像部１１を示す縦断面図である。図５は、図４に示した光学的シフト機構３５の平面図である。図６（Ａ）は、図５に示した回転駆動装置５４の平面図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示した回転駆動装置５４の元になる従来構成の３相モータを適用した例を示す平面図である。図７は、図２に示したシフト制御部１４の構成図である。図８は、図４に示した回転駆動装置５４の要部及びシフト制御部１４を示す図である。
【００４９】
図４に示すように、撮像装置１の撮像部１１は、撮像素子３１が設けられたセンサモジュール４１と、被写体（図示せず）からの光を撮像素子３１の受光面３１ａ上で結像させるレンズユニット４２と、撮像素子３１の受光面３１ａ上で結像される光像を変位させる光学的シフト機構３５とを有している。レンズユニット４２はレンズホルダ４５を介して基板４６に支持されている。センサモジュール４１及び光学的シフト機構３５も基板４６に支持されている。なお、基板４６には、必要に応じてその他電気部品等が搭載される。
【００５０】
光学的シフト機構３５は、光学部材５１及びこれを支持する支持リング５２で構成される回転体５３と、この回転体５３を回転駆動する回転駆動装置５４と、を備えている。光学部材５１は、光学カプセル（カプセル部材）５５内に収容され、この光学カプセル５５の内部には液体５６が封入されており、回転体５３は、液体５６中に浮遊状態で設けられ、軸方向及び径方向に変位可能となっており、回転駆動装置５４は、回転体５３を回転駆動させる。
【００５１】
光学部材５１は、略円板状を呈しており、その中央部にはレンズユニット４２の光軸Ｃに対して所定角度傾斜した平行平板５７が設けられている。この平行平板５７が回転することで、撮像素子３１の受光面３１ａ上で結像する光像を撮像素子３１に対して相対的に微小変位させることができる。なお、光学部材５１の材料としては、光学ガラスのみならず、例えばアクリル樹脂等を使用することもできる。
【００５２】
光学カプセル５５内に封入される液体５６には、空気の屈折率よりも高く、かつ平行平板５７の屈折率よりも小さい屈折率を有するものが採用される。これにより、平行平板５７によるシフト幅が、平行平板５７が空気中に置かれた場合より実質的に小さくなる。このため、光学カプセル５０内の光学部材５１の揺動等によって平行平板５７の中心軸が傾くことで生じる光学的シフト量の変化を小さく抑えることができる。
【００５３】
光学カプセル５５内に封入される液体５６には、不凍液（例えば、ポリピレングリコールと水との混合物）を用いるとよい。これにより、撮像装置を使用可能な温度範囲（例えば−２０℃まで）を拡大することができ、さらに液体５６の粘度が増大するため、外部からの衝撃に対する緩衝作用が向上して光学部材５１の破損を防止することができる。また、不凍液の濃度を調整するだけで液体５６の屈折率を容易に調整することが可能となり、所望の光学的シフト量を容易に得ることが可能となる。
【００５４】
光学カプセル５５は、中央がくびれた断面を呈しており、光軸Ｃを中心とした円板状の空間を画成する中央部５８と、この中央部５８の外周側に連なると共に、矩形断面を有する円環状の空間を画成する円環部５９とを有している。中央部５８には平行平板５７が収容される一方、上下方向に拡幅された円環部５９には、光学部材５１の外周部および支持リング５２等が収容されている。
【００５５】
光学カプセル５５は、例えば透明樹脂（後述するＰＰＳ等が好ましい）あるいは硝材から形成されている。なお、この光学カプセル５５は、全体を透明な材料で形成する必要はなく、レンズユニット４２からの入射光が通過する光路に対応する部分が上述のような透明材料で形成されていればよい。また、光学カプセル５５の光路に対応する部分以外を不透明（例えば、黒色）としてもよい。これにより撮像素子３１に不要な光が入る、いわゆる迷光を遮断することができる。
【００５６】
支持リング５２は、円環状をなし、その内周側に光学部材５１が保持されている。支持リング５２は、磁性体（例えば、鉄系の材料）で形成され、バックヨークとして機能する。液体５６が水を含む場合、支持リング５２に錆が生じ得るため、これを防止する目的で支持リング５２の表面に樹脂コーティング又は非磁性材料によるメッキ等を施すとよい。なお、磁気特性は若干劣るが、支持リング５２を例えばＳＵＳ３１６等の非磁性金属材料や樹脂等で形成することにより、錆の発生を抑えることもできる。
【００５７】
なお、光学カプセル５５内に封入される液体５６は、不凍液に限定されない。空気よりも高い屈折率で、かつ平行平板５７より低い屈折率を有するものであればよく、例えば水を用いるようにしてもよい。また、不凍液は水系である必要性はなく、例えば透明なシリコンオイルを採用してもよい。この場合、支持リング５２等に錆が生じるおそれがないため、樹脂コーティング等といった防錆処理が不要となる。
【００５８】
回転駆動装置５４は、回転体５３の径方向の外側に臨むように回転体５３に設けられた第１の着磁部６１と、回転体５３の軸方向の一端側に臨むように回転体５３に設けられた第２の着磁部６２と、回転体５３の軸方向の他端側に臨むように回転体５３に設けられた第３の着磁部６３と、第１の着磁部６１との間に回転方向の磁力を生じさせて回転体５３を回転させる磁気回転駆動部６４と、第１の着磁部６１の磁気に基づいて回転体５３の径方向位置を検出する第１の磁気センサ（第１の位置検出部）６５と、第２の着磁部６２の磁気に基づいて回転体５３の軸方向位置を検出する第２の磁気センサ（第２の位置検出部）６６と、第１の磁気センサ６５の検出結果に基づいて第１の着磁部６１との間に径方向の磁力を生じさせて回転体５３の径方向位置を制御する第１の電磁石（第１の位置制御部）６７と、第２の磁気センサ６６の検出結果に基づいて第２の着磁部６２との間に軸方向の磁力を生じさせて回転体５３の軸方向位置を制御する第２の電磁石（第２の位置制御部）６８と、第３の着磁部６３との間に第２の電磁石６８と逆向きの軸方向の磁力を生じさせて回転体５３を所定の軸方向位置に保持する永久磁石６９と、を備えている。
【００５９】
第１の着磁部６１は、回転体５３と同軸的な円筒状をなし、支持リング５２の外周面に固着されている。第２の着磁部６２は、回転体５３と同軸的な円環状をなし、支持リング５２の上側の端面に固着されている。第３の着磁部６３は、第２の着磁部６２と同様の円環状をなし、支持リング５２における第２の着磁部６２と相反する下側の端面に固着されている。これらの着磁部６１、６２、６３は、回転体５３と共に光学カプセル５５内に収容されている。
【００６０】
なお、これらの着磁部６１、６２、６３には、プラスチックマグネットを採用するとよい。特にポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）に微小な磁性体粒子を分散混合させたものを採用すると、水を含む液体５６中にあっても吸水および膨潤が防止される。また、磁性体粒子には、大きな磁力が得られるネオジムを採用するとよく、特に第１の着磁部６１では大きな駆動トルクを得ることができるため、低温時に液体５６の粘性が大きくなった場合等に有効である。一方、磁性体に用いられるネオジムは水によって酸化されて錆を生じ得るため、表面を樹脂材料でコーティングする、或いは非磁性金属でメッキして、ネオジムが液体５６と直接接触しないようにするとよい。なお、磁性体粒子としては、ネオジムに限らず、例えば、フェライトやサマリウムコバルト等を用いることもできる。磁性体粒子としてフェライトを用いた場合は、錆が発生しないため、上述した樹脂コーティング等が不要となる。
【００６１】
このように回転体５３には、永久磁石である着磁部６１、６２、６３が取り付けられるのみで、光学カプセル５５の内部に導線を引き込む必要がないため、光学カプセル５５の密閉性を高めることができる。また、光学カプセル５５の部材としての独立性を高めることとなり、製造工程上有利となる。
【００６２】
磁気回転駆動部６４は、電磁鋼帯を複数積層してなるステータコア７１と、このステータコア７１に巻回されたコイル７２とで構成されている。ステータコア７１は、光学カプセル５５の周壁外面に当接した状態で設けられ、光学カプセル５５を介して第１の着磁部６１に対向配置されている。
【００６３】
回転駆動装置５４は、いわゆるインナロータ型の３相モータであり、界磁となる第１の着磁部６１は、図６（Ａ）に示すように、周方向に沿って交互にＮ極及びＳ極に着磁された８つの磁極を備えている。一方、磁気回転駆動部６４は、等間隔に３つ設けられており、各ステータコア７１は２つのティース７３を備えている。この回転駆動装置５４は、図６（Ｂ）に示すように、１２ステート８ポールの従来構成の３相モータから、２ティース構成のステータコアを３つ等間隔に取り除いた、６ステート８ポールの構成となっている。
【００６４】
磁気回転駆動部６４のコイル７２は、スター結線されており（図７参照）、各ステータコア７１の２つのコイル７２が、３相（ｕ相、ｖ相及びｗ相）のうちの２相、具体的にはｕ相及びｖ相、ｖ相及びｗ相、並びにｗ相及びｕ相にそれぞれ設定されている。
【００６５】
磁気回転駆動部６４のコイル７２に通電して磁気回転駆動部６４が励磁されると、第１の着磁部６１との間に引力および斥力が生じ、これにより、光学カプセル５５内の回転体５３に接触することなく、その回転体５３を回転させることができる。この磁力を利用した構成は、いわゆるベアリングレスモータの構成に準ずるものであり、摺動部が全く存在せず、回転駆動装置５４は極めて低振動で駆動され、かつ長寿命を達成することができる。
【００６６】
磁気回転駆動部６４のコイル７２は、図７に示すように、シフト制御部１４に設けられた３相ドライバ７５により駆動される。シフト制御部１４では、演算処理部７６から速度指令値がパルス幅変調器（ＰＷＭ）７７に送出され、パルス幅変調器７７では、この速度指令値に基づいてＯＮデューティ比を算出し、このデューティ比に基づきパルス幅変調されたＰＷＭ信号が３相ドライバ７５に出力される。３相ドライバ７５は、内部に３系統のプッシュプル型のトランジスタ回路７８を備え、ＰＷＭ信号に基づき各コイル７２に流す電流を制御する。これにより周期設定部２５（図２参照）から指示された円運動周期で回転体５３が回転駆動される。
【００６７】
図４に示したように、第１の電磁石６７は、第１の着磁部６１に対向して配置された第１の磁性体８１と、この第１の磁性体８１に巻回されたコイル８２とで構成されている。第１の磁性体８１は、渦電流の抑制のために電磁鋼帯を複数積層して構成され、光学カプセル５５の周壁外面に当接した状態に設けられている。
【００６８】
第１の電磁石６７のコイル８２に通電することで第１の電磁石６７が励磁されると、第１の着磁部６１との間に斥力及び引力が生じる。第１の電磁石６７は、光学カプセル５５の周囲に等間隔に３つ配置されており（図５参照）、第１の電磁石６７の各コイル８２の通電量を個別に制御することで、回転体５３に作用させる径方向の磁力を調整し、回転体５３を任意の径方向に変位させることができる。これにより、回転体５３が所定の径方向位置、すなわち光学部材５１の中心軸が光軸Ｃと概ね一致する径方向位置に保持される。
【００６９】
第２の電磁石６８は、第２の着磁部６２に対向して配置された第２の磁性体８３と、この第２の磁性体８３に巻回されたコイル８４とで構成されている。第２の磁性体８３は、渦電流の抑制のために電磁鋼帯を複数積層して構成され、光学カプセル５５の上壁外面に当接した状態に設けられている。
【００７０】
永久磁石６９は、光学カプセル５５を挟んで第２の電磁石６８と相反する側に設けられている。この永久磁石６９は、光学カプセル５５の下壁外面に当接した状態に設けられ、光学カプセル５５を介して第３の着磁部６３に対向配置されている。
【００７１】
永久磁石６９と第３の着磁部６３とは、互いに対向する側が同一磁極（ここではＮ極）となるように設定されており（図８参照）、永久磁石６９と第３の着磁部６３との間に斥力が生じ、回転体５３が光学カプセル５５の底壁内面から浮いた状態に保持される。
【００７２】
第２の電磁石６８と第２の着磁部６２とは、互いに対向する側が同一磁極（ここではＳ極）となるように設定されており（図８参照）、第２の電磁石６８のコイル８４に通電することで第２の電磁石６８が励磁されると、第２の電磁石６８と第２の着磁部６２との間に斥力が生じる。
【００７３】
第２の電磁石６８は、光学カプセル５５の一の主面において等間隔に３つ配置され（図５参照）、永久磁石６９も、光学カプセル５５の他面において第２の電磁石６８と同じ周方向位置に（光軸方向にみて重畳するように）等間隔に３つ配置されており、第２の電磁石６８の各コイル８４の通電量を制御することで、第２の電磁石６８と第２の着磁部６２との間に生じる斥力の大きさを、永久磁石６９と第３の着磁部６３との間に生じる斥力と釣り合わせることにより、回転体５３が所定の軸方向位置に保持される。
【００７４】
このように第２の電磁石６８と永久磁石６９とを協働させて回転体５３の軸方向位置を制御するため、回転体５３の軸方向の位置を簡易かつ高精度に制御することができる。ここで、第２の電磁石６８の各コイル８４の通電量を均等に制御することで、第２の電磁石６８の斥力と永久磁石６９の斥力とが釣り合う軸方向位置に回転体５３を変位させることができるが、第２の電磁石６８の各コイル８４の通電量を個別に制御して、回転体５３の中心線が光軸Ｃに対して傾いた振れ回り運動を抑制するような制御も可能である。このような構成とすることで、例えばレンズユニット４２をいわゆるズームレンズ系として構成した場合でも、光学的シフト量を適切に管理することが可能となる。
【００７５】
なお、第２の電磁石６８と第２の着磁部６２との間、ならびに永久磁石６９と第３の着磁部６３との間にそれぞれ引力を生じさせて、それらを釣り合わせる構成も可能である。特に上述のように斥力を生じさせる構成では、第２の電磁石６８が励磁されていない状態でも、永久磁石６９の磁力で回転体５３が光学カプセル５５の底壁内面から浮いた状態となるため、起動時等に回転体５３の回転を円滑に開始することができる利点が得られる。
【００７６】
また、永久磁石６９にはネオジム磁石を採用するとよいが、上方の第２の電磁石６８による磁力とのバランスを考慮して、他の磁石（例えば、フェライト磁石等）を用いてもよい。
【００７７】
第１の磁気センサ６５は、例えばホール素子からなる。この第１の磁気センサ６５は、第１の電磁石６７を構成する第１の磁性体８１における第１の着磁部６１と相反する側の端部に配置されており、第１の磁気センサ６５を第１の磁性体８１の表面に固着することで、第１の磁気センサ６５と第１の電磁石６７とが一体化されている。
【００７８】
このように第１の磁気センサ６５を配置すると、第１の磁気センサ６５と第１の電磁石６７とが径方向に重なり合うため、配置スペースが小さくなり、省スペース化を図ることができる。そして、第１の磁気センサ６５が第１の磁性体８１を介して第１の着磁部６１の磁気を検出する、すなわち第１の着磁部６１の磁気が第１の磁性体８１により案内されて第１の磁気センサ６５に導かれるため、第１の磁気センサ６５の検出精度を低下させずに済む。
【００７９】
第２の磁気センサ６６は、例えばホール素子からなる。この第２の磁気センサ６６は、第２の電磁石６８を構成する第２の磁性体８３における第２の着磁部６２と相反する側の端部に配置されており、第２の磁気センサ６６を第２の磁性体８３に表面に固着することで、第２の磁気センサ６６と第２の電磁石６８とが一体化されている。
【００８０】
このように第２の磁気センサ６６を配置すると、第２の磁気センサ６６と第２の電磁石６８とが軸方向に重なり合うため、配置スペースが小さくなり、省スペース化を図ることができる。そして、第２の磁気センサ６６が第２の磁性体８３を介して第２の着磁部６２の磁気を検出する、すなわち第２の着磁部６２の磁気が第２の磁性体８３により案内されて第２の磁気センサ６６に導かれるため、第２の磁気センサ６６の検出精度を低下させずに済む。
【００８１】
さて、このように磁気を磁性体によって案内して磁気センサで検出する構成にすると、省スペースの点では有利となるが、一方で、磁気が磁性体を透過する間に減衰することとなる。磁気の減衰は計測対象物の磁気（例えば、第１の着磁部６１が発生する磁気）の絶対的な強度や、磁気を案内する磁性体の長さや透磁率、検出すべき対象（例えば、第１の着磁部６１）と磁性体のギャップ長等に依存するため一概には言えないが、結果的に磁気センサにおける検出精度が不足する場合は、磁気センサの更に外側（例えば、第１の電磁石６７の外周側に配置された第１の磁気センサ６５の更に外周側）に、磁性体のブロック（図示せず）を置くことで磁気センサの出力が増強される。これは磁性体のブロックによって、磁気センサを貫通する磁力線が増加することによる効果である。また、磁気センサとしてホール素子に替えてＧＭＲ（Giant Magneto Resistive）素子（巨大磁気抵抗素子）を用いるのも有効である。ＧＭＲ素子はもともとハードディスクの磁気ヘッドに応用され、記憶容量の飛躍的な増加をもたらしたことで知られる素子であり、これにより微弱な磁気を高精度で検出することが可能となる。
【００８２】
第１及び第２の電磁石６７、６８をそれぞれ構成する第１及び第２の磁性体８１、８３は、連結部材８５を介して連結されている。また、第１の電磁石６７を構成する第１の磁性体８１と永久磁石６９とが、連結部材８６を介して連結されている。これにより、第１の磁気センサ６５と、第２の磁気センサ６６と、第１の電磁石６７と、第２の電磁石６８と、永久磁石６９とが一体化されて位置検出制御ユニット８７を構成している。
【００８３】
連結部材８５、８６には、非磁性体（例えば、樹脂、セラミック等）を用いるとよく、これにより第１の電磁石６７と第２の電磁石６８と永久磁石６９との間に磁気的な相互作用が生じないようにすることができる。
【００８４】
位置検出制御ユニット８７は、図５に示すように、周方向に等間隔に配置された磁気回転駆動部６４の間の空間に配置されている。ここでは、磁気回転駆動部６４が、光学カプセル５５の中心、すなわち正規の位置にある回転体５３の中心に対して１２０度の角度をおいて３つ配置され、位置検出制御ユニット８７も、光学カプセル５５の中心に対して１２０度の角度をおいて３つ配置されている。これは、図６（Ｂ）に示したように、１２ステート８ポールの従来構成の３相モータから、２ティース構成のステータコアを３つ等間隔に取り除くことでできた空間に、位置検出制御ユニット８７を配置したことになる。
【００８５】
このように第１及び第２の磁気センサ６５、６６と、第１及び第２の電磁石６７、６８と、永久磁石６９とを、周方向の同一位置に配置して一体化し、磁気回転駆動部６４の間の空間に配置したため、光学カプセル５５の外側のスペースを有効利用して省スペース化を図ることができる。
【００８６】
また、磁気回転駆動部６４を構成するステータコア７１と、第１及び第２の電磁石６７、６８を構成する第１及び第２の磁性体８１、８３と、永久磁石６９とが、光学カプセル５０の外面に当接した状態で設けられているため、光学カプセル５０自体の寸法精度を良好に管理すれば、各構成要素の位置関係を極めて高精度に定めることが可能となり、高い制御性能を実現することができる。
【００８７】
図８に示すように、シフト制御部１４は、第１及び第２の磁気センサ６５、６６の出力信号に基づいて回転体５３の径方向及び軸方向の位置を判定する位置判定部９１と、この位置判定部９１の判定結果に従って、第１及び第２の電磁石６７、６８に設けられたコイル８２、８４の通電量を制御する通電制御部９２と、を有している。位置判定部９１及び通電制御部９２は、図７に示した演算処理部７６のＣＰＵで所定のプログラムを実行することで実現される。
【００８８】
位置判定部９１では、第１の磁気センサ６５により検出される第１の着磁部６１の磁気の大きさに基づいて回転体５３の径方向の位置を判定し、また、第２の磁気センサ６６により検出される第２の着磁部６２の磁気の大きさに基づいて回転体５３の軸方向の位置を判定する。
【００８９】
通電制御部９２では、位置判定部９１で取得した回転体５３の実際の位置と正規の位置とを比較し、正規の位置に対する回転体５３のずれを修正する修正値を、径方向及び軸方向について算出する。この修正値は、図７に示したように、演算処理部７６からＤ／Ａ変換器（ＤＡＣ）を介して第１および第２の電磁石駆動用ドライバ９３、９４に送信され、修正値に対応する電流を第１及び第２の電磁石６７、６８のコイル８２、８４に流す。このようなフィードバック制御により、回転体５３が正規の径方向位置及び軸方向位置に保持される。
【００９０】
ここで、第１の磁気センサ６５と第１の電磁石６７は、互いに周方向の同一位置に配置されており、第１の磁気センサ６５により検出される回転体５３の径方向位置と、第１の電磁石６７により回転体５３に径方向力を作用させる位置とが同一となる。また第２の磁気センサ６６と第２の電磁石６８も、互いに周方向の同一位置に配置されており、第２の磁気センサ６６により検出される回転体５３の軸方向位置と、第２の電磁石６８により回転体５３に軸方向力を作用させる位置とが同一となる。このため、位置制御のための演算処理を簡略化することができ、回転体５３の位置制御を容易に且つ高精度に行うことが可能となる。
【００９１】
また、シフト制御部１４では、位置判定部９１による位置判定動作と、通電制御部９２による位置制御動作とが時分割で交互に行なわれる。すなわち、第１及び第２の電磁石６７、６８のコイル８２、８４に通電する位置制御が行われる間は、第１及び第２の磁気センサ６５、６６の出力信号に基づく位置判定が行われず、逆に位置判定が行われる間は、位置制御が行われない。
【００９２】
これにより、第１及び第２の電磁石６７、６８のコイル８２、８４に通電することで発生する磁界の影響で、第１及び第２の磁気センサ６５、６６が第１及び第２の着磁部６１、６２の磁気を正確に検出することができなくなることを避けることができる。
【００９３】
ところで、図２に示した超解像処理部２４にて実施される超解像処理では、元になるフレーム画像の撮像位置が既知であれば、位置合わせ処理の演算コストを大幅に削減することができる。このとき、例えば１２０万画素の撮像素子を１／３インチサイズで構成すると画素ピッチは３．７５μｍ程度となるが、これを超解像処理で４×４倍に拡大する場合、新たに生成される画像の画素ピッチは３．７５／４＝０．９３μｍとなり、撮像位置をサブミクロンオーダで高精度に把握することが望まれる。
【００９４】
このようにフレーム画像の撮像位置を高精度に把握するには、まず光学部材５の位置を高精度に制御する必要があり、これは、前記のように第１及び第２の磁気センサ６５、６６と第１及び第２の電磁石６７、６８とにより実現される。さらに、フレーム画像の撮像位置を高精度に把握するには、平行平板５７による光のシフト方向を規定する回転体５３の回転位置を高精度に検出する必要がある。
【００９５】
そこで、本回転駆動装置５４は、図５に示したように、光学部材５１の回転位置の基準となる原点位置を検出する原点センサ７０を備えている。この原点センサ７０の出力信号に基づいて、駆動回路３３が生成するタイミング信号に応じて撮像素子３１で撮像が行われたときの光像のシフト位置が決定される。これにより、フレーム画像の撮像位置を高精度に把握することができ、超解像処理の演算コストを低減することができる。
【００９６】
原点センサ７０は、反射型フォトセンサ（フォトリフレクタ）からなり、光学部材５１の支持リング５２上に設けられた図示しないマーキング部を検出する。なお、マーキング部は、所要の色（例えば支持リング５２が黒色であれば白色）の塗料を印刷工法などを用いて支持リング５２の表面に形成すればよい。また、原点センサ７０は、反射型フォトセンサに限定されるものではなく、他の光学センサを含む周知のセンサを用いることができる。
【００９７】
さらに、フレーム画像の撮像位置を高精度に把握するには、光学部材５の回転速度を高精度に制御する必要がある。これには、まず、回転体５３の回転速度を高精度に検出する必要があり、ここでは、回転体５３の回転速度を第１の磁気センサ６５の出力信号から求めるようにしている。第１の着磁部６１が回転体５３と連動回転すると、第１の磁気センサ６５に対向する磁極（Ｎ極及びＳ極）が交互に切り替わり、第１の磁気センサ６５から出力される信号は、第１の着磁部６１のＮ極及びＳ極の１組が相対移動する期間を１周期とする正弦波を呈し、その出力信号の周期に基づいて回転体５３の回転速度を求めることができる。
【００９８】
これを図７を参照して具体的に説明すると、第１の磁気センサ６５の出力信号が、コンパレータ（ＣＭＰ）で２値化されて３系統のＦＧパルスとして出力され、このＦＧパルスのパルス間隔が、図示しない高速カウンタによって計数される。演算処理部７６では、第１の着磁部６１の既知である磁極間距離を高速カウンタの計数値で除算する演算が行われ、これにより速度実測値Ｖｎが得られる。
【００９９】
なお、このような回転速度の検出方法に替えて、例えば、光学部材５１や第１の着磁部６１等にマーキングを施し、これを光学式センサ（フォトリフレクタ）で検出するようにしてもよい。その場合、白黒のマーキングとすれば、比較的狭ピッチで描けるため、より高いサンプリングレートで回転角速度の検出が可能となる。
【０１００】
また、光学部材５１を等速度で回転させるため、ここでは光学部材５１の回転速度に基づくＰＩ制御（比例積分制御）を行っている。具体的には、周期設定部２５（図２参照）から指示された円運動周期に対応して速度目標値Ｖｒを設定して、この速度目標値Ｖｒに対する速度実測値Ｖｎの誤差δＶ（＝Ｖｒ−Ｖｎ）を算出する。ついで、誤差δＶに適切なゲインＧｐを乗じて比例項（Ｐ＝Ｇｐ×δＶ）を算出する。また、速度オフセットを生じることから、誤差δＶを積分し、これに適切なゲインＧｉを乗じて積分項（Ｉ＝Ｇｉ×Σ（δＶ））を算出する。そして、得られた比例項（Ｐ）と積分項（Ｉ）とを加算して速度指令値を求める。この速度指令値は、上述のように、パルス幅変調器（ＰＷＭ）７７に送られて、３相ドライバ７５を動作させるＰＷＭ信号が出力される。これにより光学部材５１を高い精度で等速度回転させることができる。
【０１０１】
図９は、撮像素子３１への光の入射状況を示す断面図であり、図９（Ａ）は入射した光の光路が最も右側にシフトした状態を示し、図９（Ｂ）は図９（Ａ）の状態から平行平板５７が１８０゜回転した状態を示している。なお、図９（Ｂ）の状態から、平行平板がさらに１８０゜回転すると、図９（Ａ）の状態に復帰する。
【０１０２】
光学部材５１の平行平板５７は、レンズユニット４２の光軸Ｃに対して傾斜しているため、レンズユニット４２を経て入射する光を屈折させ、撮像素子３１の受光面に入射する光の位置が平行平板５７の回転位置に応じて変化し、光学的シフト機構３５により光学部材５１を回転させると、撮像素子３１の受光面上で結像する光像が、光学部材５１の回転速度に応じた周期（円運動周期）で円を描くように移動し、これにより撮像素子３１に対して光像を相対的に微小変位させることができる。
【０１０３】
このように、平行平板５７はレンズユニット４２を通過した入射光を光軸Ｃと垂直な方向にシフトさせる機能のみを持つ。またレンズユニット４２と撮像素子３１の位置関係は固定されているから、撮像素子３１側の画角も確定される。これらのことから明白なように、平行平板５７は光軸Ｃの方向に平行移動しても、光軸Ｃと垂直な方向に平行移動しても、光学的シフト量は不変である。一方、平行平板５７と光軸Ｃの角度が変化すると、光学的シフト量は大きな影響を受ける。すなわち、平行平板５７を含む光学部材５１の位置制御にとって重要なのは光軸Ｃに対する光学部材５１の角度変動であり、光学部材５１の光軸Ｃ方向及び光軸Ｃと垂直な方向（径方向）における平行移動については、極論すれば光学部材５１が光学カプセル５５の内壁に当接しないように制御すればよい。ここで、上述したように、光学部材５１には外部の磁気回転駆動部６４から磁力が作用しており、この磁力は平均的にみれば光学部材５１の回転中心を光軸Ｃと一致させようとする。従って、上述した構成要素のうち、第１の電磁石６７及び第１の磁気センサ６５は省略することが可能である。但し、この場合は光学部材５１が微小振動してしまう可能性があり、撮像装置としてみたときに、このような振動を嫌う場合には第１の電磁石６７及び第１の磁気センサ６５を省略すべきではない。
【０１０４】
図１０及び図１１は、光像に対する画素の相対的な円運動の状況を示す模式図である。撮像素子３１は、入射光のうちＲ（Red）成分を受光するＲ画素と、Ｂ（Blue）成分を受光するＢ画素と、Ｇ（Green）成分を受光するＧ画素の各画素がいわゆるベイヤ配列に基づいて配列された、いわゆる単板式の撮像素子である。このベイヤ配列では、Ｇ画素が全画素数の１／２の画素数で千鳥状（チェッカフラッグ状）に配置され、Ｒ画素及びＢ画素が各全画素数の１／４ずつの画素数でＧ画素の配置位置を除く位置に分散配置されている。なお、図中のＸ軸は主走査方向、Ｙ軸は副走査方向をそれぞれ示す。以下、同様である。
【０１０５】
なお、ここでは、図９に示したように、固定された撮像素子３１の画素に対して光像が変位するものであるが、以下の説明では、便宜上、光像に対する画素の相対的な移動を、静止した光像に対して画素が移動するように図示する。また、各画素は、概ね光学サイズとして示される範囲の光を受光するが、以下の説明では、便宜上、各画素の中心位置のみを図示する。
【０１０６】
ここで、図１０（Ｂ）に示すように、例えば円運動の直径を画素ピッチの√２倍の長さに設定すると、Ｒ画素の移動範囲から外れてＲの色情報が完全に欠落する領域が発生する。また、これと同様にＢ画素の移動範囲から外れてＢの色情報が完全に欠落する領域が発生する。ちなみに、従来のように、円運動の直径を、画素ピッチの√２／２倍の長さに設定すると、Ｒの色情報が完全に欠落する領域がさらに大きくなり、ベイヤ配列を持つ一般的な単板式カラーイメージセンサで撮像した低解像度画像を超解像処理に供しても高精細な高解像度画像の再現を行うことはできない。
【０１０７】
これに対して、図１０（Ａ）に示すように、円運動の直径を画素ピッチの２倍の長さに設定すると、図１１（Ａ）、（Ｃ）に示すように、Ｒ画素及びＢ画素のない領域にもＲ画素及びＢ画素を移動させることができるため、撮像位置に偏りがなくなり、超解像処理で得られる高解像度画像を高品質なものとすることができる。さらに図１１（Ｂ）に示すように、Ｇ画素については、もともと画素数が多い（全体の１／２）ことに加え、千鳥配置されたＧ画素が周辺領域を走査する状態となるため、光像を網羅的にサンプリングすることが可能となる。
【０１０８】
逆に、円運動の直径を画素ピッチの２倍より大きくした場合、Ｒ画素やＢ画素が撮像できない領域が帯状に発生することはない。しかしながら、円運動の角速度を一定としたとき円運動の直径を大きくすると、光像の変位速度（すなわち周速度）が増大する。この場合は同一の撮像期間（撮像素子３１で電荷蓄積が行なわれる期間）が与えられた場合に、より大きな距離だけ光像が移動することとなり積分効果が大きくなる、つまり画像がブレてしまう（いわゆるモーションブラーと同じ状態が発生する）ため、画素積分によって高周波成分が失われ、超解像処理の効果を抑制する要因となる。
【０１０９】
次に、撮像（サンプリング）について説明する。図１２は、撮像と撮像により生成する画像の状況を示す模式図である。
【０１１０】
ここでは、光像に対する画素の相対的な円運動を１方向に一定速度で連続して行わせながら撮像が行われ、撮像位置が少しずつずれたフレーム画像Ｆ１・Ｆ２・・・が順次生成される。図示する撮像基準位置Ｐ１・Ｐ２・・・は、撮像のタイミングを示すものであり、各々で１枚のフレーム画像が生成される。特にここでは、撮像開始時の画素の中心位置を撮像基準位置として示しており、各撮像基準位置で電荷蓄積が開始され、直後の撮像基準位置の手前で電荷蓄積が完了して画素信号が出力される。
【０１１１】
この円運動の回転速度は上述したＰＩ制御によって安定して保たれ、平行平板５７（図４参照）の回転位置の基準は上述した原点センサ７０（図５参照）によって管理され、また平行平板５７の傾斜角変動に伴うシフト幅（シフト位置）に対する影響は小さく抑えられているから、各タイミングで撮像されるフレーム画像の撮像位置は極めて高精度に把握されることとなる。
【０１１２】
この撮像位置に関する情報は、図２に示したように、第１の磁気センサ６５及び原点センサ７０の出力に基づきシフト制御部１４（より具体的には図７に示した演算処理部７６）で逐次生成され、撮像装置１から画像処理装置２に送信されて、撮像部１１から出力されたフレーム単位の画像データと関連づけて記憶部２３に記憶される。そして超解像処理の過程で、撮像位置に関する情報が超解像処理部２４で参照され、この際に位置合わせ処理が簡略化される。
【０１１３】
なお、超解像処理で適切な高解像化を行うには、全ての画素において均一に変位した状態とすることが望ましく、各画素ライン間で電荷蓄積タイミングに時間差が生じるのは妥当でないため、ここでは全ての画素のシャッタ動作を同じタイミングで行わせるグローバルシャッタ方式が採用される。
【０１１４】
また、画素が１回の円運動を行う間に数多くの撮像（サンプリング）を行うことで、超解像処理で得られる高解像度画像の品質を高めることができ、特にここでは、円運動周期を撮像周期の非整数倍に設定する。このようにすると、円運動を繰り返すことで、多数の異なる位置での撮像が可能となるため、撮像位置が微小に異なる画像を多数生成することができるので、超解像処理で得られる高解像度画像の品質を向上させることができる。これに対して、円運動周期を撮像周期の整数倍とすると、円運動を繰り返しても撮像基準位置に変化がなく、１回の円運動で設定可能な撮像基準位置の数に限定される。
【０１１５】
以下、円運動周期と撮像周期との比率を具体的に定めて、撮像基準位置の例について説明する。図１３は、撮像周期と円運動周期との比率の一例での撮像基準位置の状況を示す模式図である。なお、図１３では、画素ピッチを１として図示している。
【０１１６】
この例では、円運動周期を撮像周期の７．５倍に設定している。ここで、撮像周期を例えば３０ms（約３０frame/s）とすると、円運動周期は２２５msとなる（＝３０ms×７．５）。この場合、円運動の２回目で撮像基準位置が原位置に復帰し、円運動が２回行われる間に１５回の撮像（サンプリング）が行われる。各撮像基準位置は４８deg（＝３６０deg／７．５）の相対角度をもって離間している。
【０１１７】
円運動の１回目では、図１３（Ａ）に示すように、撮像基準位置Ｐ１〜Ｐ８で撮像が行われ、円運動の２回目では、図１３（Ｂ）に示すように、撮像基準位置Ｐ９〜Ｐ１５で撮像が行われ、各撮像基準位置Ｐ９〜Ｐ１５は、円運動の１回目における隣り合う撮像基準位置（例えばＰ１とＰ２）の中間位置となる。円運動の１回目と２回目とを合わせると、図１３（Ｃ）に示すように、各撮像基準位置Ｐ１〜Ｐ１５が２４degの相対角度をもって離間する。
【０１１８】
ここで、円運動の１回目の撮像基準位置Ｐ１〜Ｐ８での撮像で得られた８枚の画像に基づいて超解像処理を行う第１の処理モードと、円運動の１回目と２回目とを合わせた撮像基準位置Ｐ１〜Ｐ１５での撮像で得られた１５枚の画像に基づいて超解像処理を行う第２の処理モードとの２つの処理モードを選択することができる。
【０１１９】
第１の処理モードでは、本来の１画素の範囲内に、Ｘ軸・Ｙ軸の両方向で位置の異なる２つの撮像基準位置が設定されるため、Ｘ軸・Ｙ軸のそれぞれの方向について撮像素子３１の本来の解像度のほぼ２倍の解像度で高解像度化を行うことができる。一方、第２の処理モードでは、本来の１画素の範囲内に、Ｘ軸・Ｙ軸の両方向で位置の異なる４つの撮像基準位置が設定されるため、Ｘ軸・Ｙ軸のそれぞれの方向について撮像素子３１の本来の解像度のほぼ４倍の解像度で高解像度化を行うことができる。
【０１２０】
特に、この第２の処理モードでは、円運動の２回目で設定される撮像基準位置Ｐ９〜Ｐ１５の各々が、円運動の１回目で設定される撮像基準位置Ｐ１〜Ｐ８の互いに隣り合うもの同士の中心位置になり、撮像基準位置が偏ることなく均等に分散された状態となるため、超解像処理との適合性に優れた画像を生成することができる。
【０１２１】
また、撮像装置１で撮像が行われている最中に撮像装置１で超解像処理を行うことも可能であり、この場合、第２の処理モードでは、円運動が２回行われて１５枚の画像が揃う度に１回の超解像処理を行えばよい。
【０１２２】
一方、第１の処理モードでは、撮像基準位置を順次シフトさせながら８枚の画像が揃う度に超解像処理を行うとよい。具体的には、１回目で、撮像基準位置Ｐ１〜Ｐ８での撮像で得られた８枚の画像を用いて超解像処理を行い、２回目で、撮像基準位置Ｐ９〜Ｐ１５・Ｐ１での撮像で得られた８枚の画像を用いて超解像処理を行い、以降、３回目では撮像基準位置Ｐ２〜Ｐ９、４回目では撮像基準位置Ｐ１０〜Ｐ１５・Ｐ１・Ｐ２というように撮像基準位置を１つずつずらすようにする。
【０１２３】
このように２つの処理モードを設定することができ、両モードでは、円運動周期（光学的シフト機構３５の回転速度）や撮像周期を変化させる必要がないため、制御が容易である。
【０１２４】
なお、各モードでの超解像処理に用いる最初の画像は原位置Ｐ１の撮像で得られた画像に限定する必要がなく、第１の処理モードでは、任意の位置から１回の円運動が行われる間に撮像された８枚の画像を用いて超解像処理を行い、第２の処理モードでは、任意の位置から２回の円運動が行われる間に撮像された１５枚の画像を用いて超解像処理を行うようにしてもよい。
【０１２５】
このような処理は、図３に示したように、画像処理装置２の記憶部２３に蓄積されたフレーム画像を用いて超解像処理を行う場合にも、また撮像装置１での撮像の最中に超解像処理を行う場合にも適用することができ、特に後者の場合には、処理モードの切り替えに伴って撮像開始位置を原位置Ｐ１に戻す操作が必要でないため、直ちに処理モードを切り替えて解像度が異なる高解像度画像を生成することが可能になる。
【０１２６】
図２に示したように、撮像周期は、画像処理装置２において入力部２６を用いてユーザにより指定され、周期設定部２５にて、指定された撮像周期に基づいて円運動周期が決定され、ここで決定された円運動周期に関するコマンド信号が撮像装置１に送信される。撮像装置１のシフト制御部１４では、画像処理装置２から取得した円運動周期に関するコマンド信号に基づいて、指定された円運動周期に対応する回転速度で光学的シフト機構３５を動作させる。
【０１２７】
また、ユーザは処理モード（第１の処理モードと第２の処理モード）を指定することができ、図３に示したように、画像処理装置２の記憶部２３に蓄積されたフレーム画像を用いて超解像処理を行う場合には、基準画像と共に処理モードをユーザに指定させ、ここで指定された処理モードに応じた数のフレーム画像を、基準画像として指定されたフレーム画像を基準にして読み出して超解像処理を行わせればよい。
【０１２８】
なお、上記円運動周期は、適宜変更することが可能である。例えば、円運動周期を撮像周期の７．２倍に設定することにより、円運動の５回目で撮像基準位置が原位置に復帰し、円運動が５回行われる間に３６回の撮像（サンプリング）が行われる構成も可能である。その場合、各撮像基準位置は５０deg（＝３６０deg／７．２）の相対角度をもって離間する。
【０１２９】
＜第２実施形態＞
図１４（Ａ）は、本発明の第２実施形態に係る回転駆動装置の平面図であり、図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）に示した回転駆動装置の元になる従来構成の３相モータを適用した例を示す横断面図である。なお、ここでは第１実施形態と異なる点にのみ言及し、第１実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付してその説明は省略する。
【０１３０】
この回転駆動装置１０１は、図１４（Ａ）に示すように、界磁となる第１の着磁部１０２が、周方向に沿って交互にＮ極及びＳ極に着磁された１２個の磁極を備えている。一方、磁気回転駆動部１０３は等間隔で３つ設けられており、各ステータコア１０４は３つのティース１０５を備えている。この回転駆動装置１０１は、図１４（Ｂ）に示すように、１８ステート１２ポールの従来構成の３相モータから、３ティース構成のステータコアを３つ等間隔に取り除いた、９ステート１２ポールの構成となっており、ステータコアを取り除くことでできた空間に、第１及び第２の磁気センサ６５、６６と第１及び第２の電磁石６７、６８と永久磁石６９とを一体化した位置検出制御ユニット８７が配置されている。
【０１３１】
ステータコア１０４の３つのティース１０５にそれぞれ設けられたコイル１０６は、スター結線されており、各ステータコア１０４の３つのコイル１０６はｕ相、ｖ相及びｗ相にそれぞれ設定されている。
【０１３２】
図６に示したように、第１実施形態に係る回転駆動装置５４では、ステータコア７１を２ティース構成としたが、この場合、例えばｕ相及びｖ相のコイル７２に通電した際に、本来なら励磁されないｗ相のコイル７２が設けられたティース７３が励磁され、これが回転体５３の回転を抑えるように作用するため、エネルギーロスが発生してモータ効率が低下する。これに対して、本実施形態のようにステータコア１０４を３ティース構成とすると、各ステータコア１０４にｕ相、ｖ相及びｗ相のすべてが存在するため、ブレーキとなるタイミングが存在せず、モータ効率を改善することができる。
【０１３３】
＜第３実施形態＞
図１５（Ａ）は、本発明の第３実施形態に係る回転駆動装置の平面図であり、図１５（Ｂ）は、図１５（Ａ）に示した回転駆動装置の元になる従来構成の３相モータを適用した例を示す平面図である。なお、ここでは第１実施形態と異なる点にのみ言及し、第１実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付してその説明は省略する。
【０１３４】
この回転駆動装置１１１は、図１５（Ａ）に示すように、界磁となる第１の着磁部１１２が、周方向に沿って交互にＮ極及びＳ極に着磁された８個の磁極を備えている。一方、磁気回転駆動部１１３は等間隔で３つ設けられており、各ステータコア１１４は３つのティース１１５を備えている。この回転駆動装置１１１は、図１５（Ｂ）に示すように、１２ステート８ポールの従来構成の３相モータから、３ティース構成のステータコアを３つ等間隔に取り除いた、９ステート８ポールの構成となっており、ステータコアを取り除くことでできた空間に、第１及び第２の磁気センサ６５、６６と第１及び第２の電磁石６７、６８と永久磁石６９とを一体化した位置検出制御ユニット８７が配置されている。
【０１３５】
ステータコア１１４の３つのティース１１５にそれぞれ設けられたコイル１１６は、スター結線されており、各ステータコア１１４の３つのコイル１１６はｕ相、ｖ相及びｗ相にそれぞれ設定されている。
【０１３６】
図１４に示したように、第２実施形態に係る回転駆動装置１０１では、ステータコア１０４を３ティース構成にすることにより、ティース１０５間の隙間が狭くなり、コイル１０６の巻回作業が面倒になるが、本実施形態では、同じ９ステートであっても、第２の実施形態と比較して、ステータコア１１４の外径を拡大することなくティース１１５間の隙間を大きく確保することができるため、コイル１１６の巻回作業が容易になり、省スペース化を図りつつ、製造歩留を向上させることができる。さらに、第１の着磁部１１２に対向するティース１１５の先端面の面積が大きくなるため、より安定した回転駆動が可能となる。
【０１３７】
本発明について実施例を含む特定の実施形態に基づいて説明したが、これらの実施形態はあくまでも例示であって、本発明はこれらの実施形態によって限定されるものではない。なお、上記実施形態に示した本発明に係る撮像装置の各構成要素は、必ずしも全てが必須ではなく、少なくとも本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１３８】
本発明にかかる回転駆動装置及びこれを備えた撮像装置は、長期の信頼性を確保すると共に低振動を実現し、さらに省スペース化を図ることができる効果を有し、画素ずらしによって取得した複数の原画像から超解像処理により高解像度画像を生成するのに適した回転駆動装置及びこれを備えた撮像装置などとして有用である。
【符号の説明】
【０１３９】
１  撮像装置
１１  撮像部３１  撮像素子、３１ａ  受光面
３５  光学的シフト機構
５０  光学カプセル
５１  光学部材
５２  支持リング
５３  回転体５４  回転駆動装置
５５  光学カプセル（カプセル部材）
５６  液体
５７  平行平板
６１  第１の着磁部
６２  第２の着磁部
６３  第３の着磁部
６４  磁気回転駆動部
６５  第１の磁気センサ（第１の位置検出部）
６６  第２の磁気センサ（第２の位置検出部）
６７  第１の電磁石（第１の位置制御部）
６８  第２の電磁石（第２の位置制御部）
６９  永久磁石７１  ステータコア
７２  コイル
８１  第１の磁性体
８２  コイル
８３  第２の磁性体
８４  コイル８５、８６  連結部材
８７  位置検出制御ユニット９１  位置判定部
９２  通電制御部
１０１、１１１  回転駆動装置
１０２、１１２  第１の着磁部
１０３、１１３  磁気回転駆動部
１０４、１１４  ステータコア１０６、１１６  コイル
Ｃ  光軸
【図１】
2011259573.tif 000003
【図２】
2011259573.tif 000004
【図３】
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【図４】
2011259573.tif 000006
【図５】
2011259573.tif 000007
【図６】
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【図７】
2011259573.tif 000009
【図８】
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【図９】
2011259573.tif 000011
【図１０】
2011259573.tif 000012
【図１１】
2011259573.tif 000013
【図１２】
2011259573.tif 000014
【図１３】
2011259573.tif 000015
【図１４】
2011259573.tif 000016
【図１５】
2011259573.tif 000017