(57)【要約】【課題】高解像度な撮像装置を提供すること。【解決手段】像面が湾曲した光学レンズと、前記光学レンズもしくは、像を検出する撮像素子を移動させる移動手段とを有し、前記光学レンズもしくは撮像素子を移動させて、前記撮像素子上に像を局所的に結像させ、前記光学レンズもしくは、前記撮像素子の位置に対応した、画素の信号を逐次検出して、全画像を生成することにより、撮像素子の位置に応じた、最良の像を検出できるので、高解像度撮像装置を実現することができる。【選択図】図１
2011109442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
像面が湾曲した光学レンズと、
前記光学レンズもしくは、像を検出する撮像素子を移動させる移動手段とを有し、
前記光学レンズもしくは撮像素子を移動させて、前記撮像素子上に像を局所的に結像させ、
前記光学レンズもしくは、前記撮像素子の移動位置に対応した、画素の信号を検出して、
全画像を生成する高解像度撮像装置。
【請求項２】
前記撮像素子もしくは光学レンズを移動させて、前記撮像素子もしくは光学レンズの移動位置に対応した、画素の信号を検出する際に、撮像素子の中央部領域を読み出す際は略円形領域に、その外周部領域は略同心円状領域の範囲内の画素の信号を読み込む請求項１記載の高解像度撮像装置。
【請求項３】
前記撮像素子もしくは光学レンズの移動方向が、光学レンズの光軸方向であることを特徴する請求項１記載の高解像度撮像装置。
【請求項４】
前記撮像素子の移動量を検出する移動量検出センサを設け、
前記移動量検出センサからの検出信号を用いて、特定画素の信号を読み込むことを特徴とする請求項１記載の高解像度撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高解像度で被写体を撮像できる高解像度撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の高解像度撮像装置としては、例えば、特許文献１に示されているような、偏心レンズを用いる方法が知られている。これは、レンズ光軸を中心軸にして、偏心させた光学レンズを回転させることで、撮像素子上に結像される被写体像を、サブピクセルオーダーで画素の配列方向にシフトさせるものである。これにより、サブピクセルオーダーでシフトした画像が得られ、これら複数枚から撮像素子の解像度よりも高い解像度の画像を生成する方法である。
【０００３】
また、屈折板を用いて被写体像をシフトさせる方法も提案されている。これは、特許文献２にも示されているように、レンズと撮像素子の間に屈折板を新たに配置して、この屈折板を傾斜させることで、被写体像を撮像素子の画素配列方向にシフトさせるものである。これにより、被写体像をサブピクセルオーダーでシフトすることができるため、高解像度な撮像装置を実現することができる。
【０００４】
また、特許文献３にも示されているように、光学系によって結像された像と撮像素子との相対的な位置をシフトさせるための相対的結像位置変更手段を備えた方法も提案されている。
【０００５】
これは、任意の拡大倍率の補間処理を行う際に、補間処理を行うのに適した相対的位置の変更方向及びこの方向への変更回数を選択する相対的結像位置変更部を備えることで、結像位置を半画素程度シフトさせるものである。これにより、他の従来例と同様に、得られた複数枚の画像により高解像度画像を得ることができる。
【０００６】
更に、水晶板を用いた方法も提案されている。これは、特許文献４に示されているように、水晶板を設け、水晶板から分離した光を、液晶偏光フィルターで交互に切り替えて検出することで、光路がシフトした画像を検出するものである。光路がシフトした画像とシフトしていない画像を複数枚用いることで、撮像素子の解像度よりも高い解像度の画像を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１８７０４７号公報
【特許文献２】特開平８−７０４０６号公報
【特許文献３】特開平６−３３９０８３号公報
【特許文献４】特開平６−２７５８０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記述べたような従来の方法は、いずれも、撮像素子の画素ピッチの約半分程度にシフトさせた像を種々の方法で形成し、シフトさせていない画像と組み合わせることで、撮像素子の画素ピッチから決定される解像度以上に高い解像度を得ようとするものである。
【０００９】
しかし、撮像素子の画素ピッチが、半導体技術の進展と共に、より微細になってくると、光学レンズの解像度が律速して、画素方向に像をシフトさせても高解像度化の効果が少ないという課題を有していた。
【００１０】
すなわち、レンズの解像度が悪くて像自体がぼけていると、サブピクセルオーダーで像をずらしても、ボケが大きいいために、シフトさせた効果が無くなってしまうわけである。
【００１１】
光学レンズの設計段階においては、できるだけ収差が少なくなるように設計するが、光軸上の収差をよりよくするように設計させると、その結果としてレンズ周辺部の収差が増大し、像がぼけてしまうために、像をシフトさせても、高解像度化に限界があるという課題を有していた。
【００１２】
また、実際の光学レンズの製造段階においては、レンズ形状の加工誤差や表面荒さの発生、更にはレンズ組み立て誤差等の種々の誤差が発生する。
【００１３】
その結果、更に収差が大きくなり、像を十分に解像できなくなるという課題を有していた。
【００１４】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高解像度の撮像を可能とする高解像度撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記、従来の課題を解決するために、本発明の高解像度撮像装置は、像面が湾曲した光学レンズと、前記光学レンズもしくは、像を検出する撮像素子を移動させる移動手段とを有し、前記光学レンズもしくは撮像素子を移動させて、前記撮像素子上に像を局所的に結像させ、前記光学レンズもしくは、前記撮像素子の移動位置に対応した、画素の信号を検出して、全画像を生成する。
【００１６】
本構成によって、光学レンズの収差が、各像高で小さい状態での画像を検出することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の高解像度撮像装置によれば、高解像度の画像を容易に撮像することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１における高解像度撮像の原理を示す概念図
【図２】本発明の実施の形態１におけるスポットダイアグラム図
【図３】本発明の実施の形態１におけるＭＴＦ特性図
【図４】本発明の実施の形態２における高解像撮像装置の構成を示す構成図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における高解像度撮像装置の高解像度化の原理を示す原理図である。図１において、１は入射光線、２は光学レンズ、３は撮像素子のカバーガラス、４は撮像素子である。５は、入射光線１が結像する像面である。６は、移動量検出部であり、撮像素子４の移動量を測定するものである。
【００２１】
７は、読み出し領域決定部であり、移動量検出部６で、計測した値を用いて、撮像素子４から信号を、どの画素から読み出すのかを決定するものである。
【００２２】
８は、読み出し部であり、７の読み出し領域決定部により、撮像素子４の移動量に応じた撮像素子４の画素の信号を読み出すものである。
【００２３】
９は、画像化部で、読み出し部８で読み出した信号を用いて、一枚の画像に合成するものである。
【００２４】
入射光線１は、光学レンズ２の光軸に対して、平行もしくは傾いて入射する場合を示している。
【００２５】
例えば、ここでは入射角度が０度から２８度で傾いて入射した場合を示している。入射角度が０度は、図１中、光学レンズ２の光軸と平行な光を示す。光学レンズ２に対して最も傾いた場合の光は、入射角度が２８度の場合である。
【００２６】
光学レンズ２の材質としては例えば、ＢＫ７、ＦＤ６０等の光学ガラスを用いるのが好ましい。本発明はこれに限定することなく、ポリメタクリル酸メチル、スチレンアクリロニトリル、ポリカーボネイト、ポリスチレン、ポリシクロヘキシルメタアクリレート等の光学樹脂を用いても構わない。
【００２７】
また、図１では１枚のレンズから構成される光学系の原理図を示したが、本発明はこれに限定するものではない。複数枚のレンズ群を用いても構わない。携帯電話、デジタルカメラ、ムービー等に用いられる複数枚のレンズ群にも有効である。
【００２８】
光学レンズ２の面形状としては、非球面形状を用いるのは更に好ましいと言える。
【００２９】
また、光学レンズ２のＦ値は特に限定するものではなく、従来よりも比較的小さなＦ値でも撮像素子の全面にわたって良好な像性能が得られる。ここでは、例えば、Ｆ＝２．８を用いる。
【００３０】
撮像素子４としては、例えばＣＭＯＳセンサを用いる。本発明は、画素ピッチや光学サイズについても、特に限定するものではなく、例えば画素ピッチが１．６５μｍ、光学サイズ１／６ｉｎｃｈの撮像素子を用いる。もちろん、画素ピッチが１．６５μｍ以下の微細なピッチでも有効であるのは言うまでもない。
【００３１】
入射光線１は、光学レンズ２により集光され、カバーガラス３を通過し、撮像素子４に到達するが、入射光線１は像面５に結像している。従って、図１に示した場合は、撮像素子４の中央部付近の光軸上では良好な結像性能を得られるが、撮像素子４の周辺部では、結像位置が撮像素子４よりも離れた位置にあるために、良好な結像性能は得られない。
【００３２】
ここで、従来のレンズ設計の一例について簡単に説明する。
【００３３】
従来のレンズ設計では、例えば、撮像素子４の全撮像面に入射光線１が集光し、像面５が撮像素子の全域にほぼ一致するように設計されている。
【００３４】
これは、一般的には、複数枚のレンズを用いる、または、レンズの一部もしくはすべての面形状を非球面形状にする、または、異なった屈折率の硝材を用いるなどの方法で実現することができる。
【００３５】
これにより、ある程度、光学的な収差を撮像素子の全領域で少なくすることができる。しかし、実際には、撮像素子の全領域にわたって均一に収差補正を実施することは、非常に困難であるため、重み付けを行って収差補正することが行われている。
【００３６】
一般的には、画像中央部の解像度は、映像品質として重要視されており、周辺部の解像度を若干犠牲にしても、画像中央部の解像度を上げるような設計が行われることが多い。
【００３７】
本発明では、従来のような平面状の撮像素子の全領域に結像するような光学レンズは用いず、図１に示したように、像面が略球面状に湾曲し、しかもその像面で入射光が集光するような光学レンズを用いる。
【００３８】
これにより、従来とは違い、光軸上だけでなく、光軸外においても、像面上では良好な結像が期待できる。
【００３９】
６は、移動量検出部であり、撮像素子４が光学レンズ２の光軸に沿って動く際に、その移動量を正確に測定するものである。例えば、光学方式のリニアエンコーダーを用いる。これによりミクロンオーダーでの移動距離を検出することができる。もちろん、磁気方式のエンコーダーを用いても構わない。
【００４０】
７は、読み出し領域決定部であり、撮像素子４の移動量から、撮像素子のどの画素信号を読み取るのかを決定する部分である。例えば、対応表を用いる方法や、関数を用いる。対応表とは、例えば、予め撮像素子４の移動量と、読み取り位置の関係を示したテーブルからなるもので、これを予め作成しておくことで、容易に求めることができる。また、関数を用いる場合は、予め、移動量から読み取る画素信号の位置を計算する色を作成しておく、これによっても容易に算出することができる。
【００４１】
８は読み出し部で、実際に撮像素子４からの信号を読み出す部分であるが、できるだけ高速に読み出すのが好ましい。
【００４２】
９は、画像化部であり、読み出し部８で得られた信号を用いて、実際の画像に合成する部分である。例えば、読み出し領域１０、１１、１２の画像を１画像に合成する。
【００４３】
１０は、読み出し領域の概要を示しており、例えば、略円形状の読み出し領域である。実際には、Ｒ、Ｇ、Ｂ画素が配列された離散的なパターンになるが、ここでは巨視的にみて略円形状と記す。
【００４４】
１１は、略同心円状の読み出し領域であり、読み出し領域１０の外周部分に位置する。図にも示しているように、略同心円状の読み出し領域は、リング状の領域から成りたっている。境界部は図では線で示したが、実際にが、画素が離散的に配列されているために、これに対応した形状になることは言うまでもない。
【００４５】
１２も、１１と同様の同心円状の読み出し領域であり、本領域は読み出し領域１１の外周部分に位置する。
【００４６】
１２の外周領域については、本実施の形態１では説明しないが、略同心円状にこだわるものではない。残る領域をすべて読み込んでも構わないし、領域を分割をして読み込んでも構わない。
【００４７】
次に、高解像度な画像を得るための、本発明の原理について説明する。
【００４８】
入射光線１は、光学レンズ２によって、カバーガラス３を通過した後、撮像素子４に到達する。
【００４９】
像面５は、図中点線で示す。像面５上では、結像状態は良好である。
【００５０】
撮像素子４は、例えば、光学レンズ２の光軸上での集光位置に一致するように設置する。これにより光軸上で、結像状態を得ることができる。
【００５１】
図２に、光学レンズ２の像性能を表すスポットダイアグラムを示す。図２（ａ）は撮像素子４の移動量が０.０ｍｍで、光軸上で像が結像した場合のスポットダイアグラムを示す。
【００５２】
縦軸は、無次元化された像高である。像高が０.０である光軸上では、スポット像が最も集光していることがわかる。また、像高の増大とともに、スポット像が大きくなり、ぼけていることがわかる。
【００５３】
図３にＭＴＦ特性図を示す。縦軸にＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ値、横軸に空間周波数（ｃｙｃｌｅ／ｍｍ）を示す。
【００５４】
図３（ａ）は、移動量が０．０ｍｍで、像高が０．０の場合のＭＴＦ特性を示す。
【００５５】
図中の点線で示した曲線は、設計した光学条件での回折限界でのＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ値を示す。
【００５６】
このように、光軸上でのＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ値は、ほぼ回折限界近くまで実現できており、良好な結像性能が実現できることがわかる。
【００５７】
次に、光軸上に集光した、像を読み取り、画像化するステップについて、図１を用いて説明する。
【００５８】
移動量検出部６により、撮像素子４の位置を検出する。現在は、移動量が０.０ｍｍの位置にあることが検出される。
【００５９】
次に、読み出し領域決定部７により、撮像素子４のどの領域の画素信号を読むのかを決定する。
【００６０】
図には示していないが、ここでは、予め設定された移動量と読み出し画素との対応表を用いて、読み出す画素を決定する。例えば、略円形状領域に囲まれた読み出し領域１０を読み出すことに決定する。
【００６１】
次に、読み出し部８により、読み出し領域決定部７で決定された画素の信号を、実際に読み込む。
【００６２】
ここで、略円形状領域の範囲の画素信号を読み取る理由は、撮像素子４の光軸上付近の結像性能は、比較的良好であるために、略円形状に良好な結像状態の領域が存在するからである。
【００６３】
次に、図には示していないが、撮像素子４を光軸方向に光学レンズ２に向かって移動させる。
【００６４】
移動量検出部６により、所定の位置に移動したことを検出したときに、撮像素子４を停止させる。
【００６５】
例えば、移動量としては、０．２ｍｍ動かす。
【００６６】
次に、読み出し位置決定部７により、移動量に対する読み出し領域を決定する。
【００６７】
例えば、対応表から、読み出す画素を決定する。今回は、像高０．５近辺の画素信号を読み出す。
【００６８】
この時、図２（ｂ）に示すように、像高０．０のスポット像は、ぼけて大きくなっているが、像高が０．５のスポット像は小さく、良好な結像状態であることがわかる。
【００６９】
従って、この撮像素子４を、０．２ｍｍ移動させ、撮像素子４の像高０．５近辺の領域を読み出せば、この領域での良好な高解像画像を得ることができる。
【００７０】
例えば、図１に示すような、略同心円状の読み出し領域１１の画素信号を読み出す。
【００７１】
これにより、像高０．５近辺において、良好な像を検出することができる。ここで、所定領域以外の画素信号を用いると、高解像な画像が得られないのは明白である。
【００７２】
次に、前述と同じ操作を繰り返し実施する。例えば、撮像素子４を０．４ｍｍ移動させる。
【００７３】
この時、図２（ｃ）に示すように、像高１．０で良好なスポットとなり、また図３（ｃ）にも示したＭＴＦ特性も、回折限界に近い性能を実現できており、図１に示すように同心円状領域１２の画素信号を読み出せばいい。これにより、良好な画像を検出できる。
【００７４】
次に、画像化部により、これまで検出した、１０、１１、１２の読み出し領域の画素信号を合成させ、１枚の画像にする。これにより、すべての像高にわたって、高解像度な画像を得ることができる。
【００７５】
本実施の形態では、撮像素子４の画素信号を、中央部の読み出し領域１０から読み取る例について、説明したが、本発明はこれに限定するものではない。最初に外周部の読み出し領域１２から読み取り、その後内周側の読み出し領域１１を読み出した後、最後に、中央部の読み出し領域１０を読み出しても構わない。
【００７６】
また、本実施の形態では一方向にだけ、撮像素子を移動させて読み出す例について説明したが本発明はこれに限定するものではない。複数回、往復移動をさせてその読み取り信号から画像を構成しても構わない。
【００７７】
撮像素子を往復運動させて画素信号を読み出す時も、出発点を限定するものではない。例えば、読み出し領域１０から始めるのではなく、中央部の読み出し領域１１から始め、往復運動等を行って画素信号を検出し、それら画像を合成しても構わない。
【００７８】
また、本実施の形態１及び２では、読み出し領域の数が３つの場合について説明したが、これに限定するものではない。更に多分割にしても構わない。
【００７９】
また、本実施の形態では、撮像素子もしくは光学レンズが直線運動をする場合について述べたが、本発明はこれに限定するものではなく、回転運動でも構わない。
【００８０】
また、本実施の形態の光学レンズは非球面レンズを用いた例について説明したが、回折レンズを付加しても構わない。
【００８１】
本発明は、撮像素子を移動させることにより、最も良好な結像状態の画素信号を検出できるため、高解像度な撮像装置を容易に実現することができる。
【００８２】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２を、図４を用いて説明する。
【００８３】
４１は入射光線であり、４２は光学レンズ、４３はカバーガラスであり、４４は撮像素子である。４５は像面で、４６は移動量検出部、４７は読み取り領域決定部、４８は読み取り部、４９は画像化部である。
【００８４】
５０は略円形状の読み取り領域であり、５１、５２はその外周上の読み取り領域である。
【００８５】
実施の形態１では撮像素子を移動させて、画像を得る例について説明したが、実施の形態２では撮像素子にかわり光学レンズを移動させて高解像度な画像を得る装置について述べる。
【００８６】
入射光線４１は光学レンズ４２により集光され、カバーガラス４３を介して撮像素子４４に到達する。結像面は、図４の点線で記載した像面４５である。図４に示した場合は、ちょうど撮像素子４４の中央部である光軸上で、良好な結像状態ができている。
【００８７】
光学レンズ４２を撮像素子側に移動させると、像面４５も撮像素子側に移動する。例えば、光学レンズ４２を０．２ｍｍ程度撮像素子側に移動させた場合は、像面４５も０．２ｍｍ程度移動する。そしてこの時、実施の形態１と同様に、像高が０．５近辺でのスポット像が小さくなり、良好に集光できると共に、その結果、ＭＴＦ性能も大幅に向上し、高解像度な画像を得ることができる。
【００８８】
移動させるレンズ枚数については、これに限定するものでなく、複数枚であっても構わない。
【００８９】
このように、本発明では、撮像素子を移動させなくても、光学レンズを移動させることにより、最も良好な結像状態の画素信号を検出できる。高解像度な撮像装置を容易に実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明にかかる高解像度撮像装置は、ビデオカメラ、ビデオムービー等として有用である。また携帯電話用カメラモジュール等の用途にも応用できる。
【符号の説明】
【００９１】
１，４１    入射光線
２，４２    光学レンズ
３，４３    カバーガラス
４，４４    撮像素子
５，４５    像面
６，４６    移動量検出部
７，４７    読み取り領域決定部
８，４８    読み取り部
９，４９    画像化部
１０，１１，１２，５０，５１，５２    読み取り領域
【図１】
2011109442.tif 000003
【図２】
2011109442.tif 000004
【図３】
2011109442.tif 000005
【図４】
2011109442.tif 000006