(57)【要約】【課題】長期間、十分な解像度を得ることができる高解像画像入力装置を提供すること。【解決手段】撮像素子と、平行平板ガラスを保持する保持部材と、前記保持部材に当接し、互いに回動可能に設けられたリング状部材と、前記保持部材を前記光軸に対して傾斜させるために、前記保持部材又は前記リング状部材のいずれか一方に配設されるカム面、及び前記保持部材又は前記リング状部材のいずれか他方に配設され、前記カム面に前記当接するベアリングからなるカム手段と、前記リング状部材を駆動する駆動手段と、前記平行平板ガラスの傾斜によってシフトされ前記撮像素子で撮像された複数の画像を記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶された前記複数の画像から高解像度の画像を合成する画像合成手段と、を有することを特徴とする高解像画像入力装置。【選択図】図１
2008219126.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結像光学系により被検物の像が結像される撮像素子と、
前記結像光学系が結像する像を、当該撮像素子面内でシフトさせるための平行平板ガラスを保持する保持部材と、
前記保持部材に当接し、互いに前記結像光学系の光軸中心とほぼ一致する回動軸中心に回動可能に設けられたリング状部材と、
前記保持部材を前記光軸に対して傾斜させるために、前記保持部材又は前記リング状部材のいずれか一方に配設されるカム面、及び前記保持部材又は前記リング状部材のいずれか他方に配設され、前記カム面に前記当接するベアリングからなるカム手段と、
前記リング状部材を駆動する駆動手段と、
前記平行平板ガラスの傾斜によってシフトされ前記撮像素子で撮像された複数の画像を記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された前記複数の画像から高解像度の画像を合成する画像合成手段と、
を有することを特徴とする高解像画像入力装置。
【請求項２】
前記ベアリングは、前記保持部材又は前記リング状部材の円周をほぼ三等分する位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の高解像度画像入力装置。
【請求項３】
前記ベアリングは、前記保持部材の外周部に配置され、前記リング状部材に形成された前記カム面に当接することを特徴とする請求項１または２に記載の高解像度画像入力装置。
【請求項４】
前記保持部材は、２以上の貫通穴を有し、
前記貫通穴に前記保持部材を遥動可能に支持する支持部材が挿通され、
前記保持部材と前記支持部材との間に摺動部材を配置したことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の高解像度画像入力装置。
【請求項５】
前記撮像素子の撮像面と対向する面に当該撮像素子を冷却する冷却素子が熱的に接触又は接着されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の高解像度画像入力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次元固体撮像素子と角度変位可能な透明平行平板による画像ずらしを用いた高解像画像入力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＣＣＤ等の２次元固体撮像素子を用いた画像入力装置において、画像と撮像素子との相対位置を微小に変化させ、変化させる毎に画像を記憶し、記憶した各画像を合成して見掛け上の画素数を増加させて解像度を向上させるものが知られている。このような方法による解像度の向上にあたっては、撮像素子と撮影光学系の間に平行平板ガラスを組み込んだガラスユニットを配置し、ガラスユニットは３点でカムリングのカム面に当接し、鏡筒に回転自在に取り付けられたカムリングがモーターにより回転駆動され、モーターの回転に伴ってガラスユニットを傾斜させ、ガラスを通して撮像素子に到達させる画像を任意の位置に微小に移動することができるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平７−２５５０１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の高解像度画像入力装置では、カムリングを撮像素子を固定する鏡筒の外径に回転自在に嵌合配置し、ガラスユニットを鏡筒内に揺動可能に配置するため、上記鏡筒に３箇所のスリット状の切り欠きを形成し、ガラスユニットから延伸した３本の支持腕を前記切り欠きを貫通させ、前記カムリングのカム部と接触させる構造としていた。このため、支持腕に設けられた球状の突起とカムリングのカム面が摺動するため、長時間運転する場合に接触面が摩耗し、ガラスユニットの傾斜角度の精度が低下し、画素の移動量に誤差が生じるため、十分な解像度が得られないという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するため、本発明は、結像光学系により被検物の像が結像される撮像素子と、前記結像光学系が結像する像を、当該撮像素子面内でシフトさせるための平行平板ガラスを保持する保持部材と、前記保持部材に当接し、互いに前記結像光学系の光軸中心とほぼ一致する回動軸中心に回動可能に設けられたリング状部材と、前記保持部材を前記光軸に対して傾斜させるために、前記保持部材又は前記リング状部材のいずれか一方に配設されるカム面、及び前記保持部材又は前記リング状部材のいずれか他方に配設され、前記カム面に前記当接するベアリングからなるカム手段と、前記リング状部材を駆動する駆動手段と、前記平行平板ガラスの傾斜によってシフトされ前記撮像素子で撮像された複数の画像を記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶された前記複数の画像から高解像度の画像を合成する画像合成手段と、を有することを特徴とする高解像画像入力装置を提供する。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、画像シフトのための平行平板ガラスの傾斜角度を長期間に亘って高精度に維持し、十分な解像度を得ることができる高解像画像入力装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
次に、本発明の一実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
【０００７】
図１は実施の形態に係る高解像度画像入力装置の断面概略図である。図２は実施の形態に係る高解像度画像入力装置要部斜視図である。図３は実施の形態に係る高解像度画像入力装置の後筐体側から見た要部展開図である。図４は実施の形態に係る高解像度画像入力装置の前筐体側から見た（但し、前筐体は省略）要部展開図である。
【０００８】
図１から図４において、ガラスユニット１の中央部には光を透過するための円形の孔を設け、その孔を覆う円形の平行平板ガラス２が嵌合固定されている。ガラスユニット１の外周円筒面上３箇所には凹部３ａを設け、そこにミニチュアベアリング３が内輪固定かつ外輪回転可能に取り付けられている。３箇所のミニチュアベアリング３は、光軸の周りに円周を３等分する位置に配置されている。
【０００９】
ガラスユニット１の外周付近のミニチュアベアリング３と異なる位置の光軸の周りに円周をほぼ３等分する位置に、光軸と平行な方向に段付き孔３ｂをそれぞれ設ける。段付き孔３ｂには光の入射方Ｏより例えばテフロン（登録商標）やデルリン（登録商標）など
から形成されたブッシュ４をそれぞれ挿入する。
【００１０】
前筐体５の内側の段付き孔３ｂに相対する位置に３箇所のタップ孔５ａをそれぞれ設け、３個の支持柱６をそれぞれ螺合固定する。支持柱６には片側に雄ネジ６ａ、反対側に雌ネジ６ｂをそれぞれ形成する。支持柱６の各々に圧縮ばね７をそれぞれ挿入し、ガラスユニット１のブッシュ４の孔が支持柱６に係合する形でガラスユニット１を３本の支持柱６に挿入する。さらに、軸受環８のフランジ部８ａに形成した３箇所の皿孔８ｂに３本の支持柱６を３個の皿ビス９を使用して固定する。
【００１１】
軸受環８に後述するガラスユニット１を傾斜動作させるためのカム面１０ａが形成されたカムリング１０を光軸周りに回転可能に挿入し、押え環１１でカムリング１０を回転可能に固定する。軸受環８の内側には雌ねじ８ｃを形成し、押え環１１には雄ねじ１１ａを形成し、押さえ環１１を軸受環８に螺合固定することにより、カムリング１０の光軸方向の動きを規制すると共に回転可能に支持する。この際、カム面１０ａとガラスユニット１の外周部に配置されたミニチュアベアリング３が摺動可能に構成される。カムリング１０の外周には歯車１０ｂを形成し、ステッピングモータ１２のピニオンギヤ１３と噛み合わせる。カムリング１０の外周付近には黒塗装による低反射部１０ｃを形成し、反射型フォトインタラプタ１４によりカムリング１０の原点検出を行う。以上の全ての部品は前筐体５に組み付けられている。
【００１２】
ＣＣＤ筐体１５にはＣＣＤ基板１６がビス止め固定され、ＣＣＤ１７の正面には赤外カットフィルター１８が配置される。ＣＣＤ基板１６はＣＣＤ１７の背面に孔が形成され、ペルチェ素子１９がＣＣＤ１７に接着固定される。
【００１３】
ペルチェ素子１９のＣＣＤ１７と反対側面には放熱板２０の突起部２０ａが接触し、放熱板２０とＣＣＤ筐体１５により挟まれた空間により密閉構造を形成している。
【００１４】
ＣＣＤ基板１６のコネクタ１６ａにフレキシブルフラットケーブル(以後、ＦＦＣと記す)２１を接続し、放熱板２０に形成した長孔２０ｂから後ろの空間にＦＦＣ２１の他端が取り出される。長孔２０ｂにはスリット状の細孔が形成されたゴムブッシュ２２が配置され放熱板２０とＣＣＤ筐体１５により形成された密閉空間の密閉状態を保っている。
【００１５】
後ろ筐体２３にはプリント基板２４がネジ止め固定され、ＦＦＣ２１の他端がプリント基板２４上のコネクタ２４ａに接続される。前筐体５と後ろ筐体２３の間に挟む形でＣＣＤ筐体１５が組み込まれている。
【００１６】
上述したステッピングモータ１２および反射型フォトインタラプタ１４の配線はフレキシブル基板としＣＣＤ筐体１５の密閉構造の外側に形成する不図示の孔を経由して前記プリント基板２４上のコネクタ２４ｂに接続される。
【００１７】
このようにして、高解像度画像入力装置１００が構成されている。
【００１８】
次にガラスユニット１の傾斜動作について説明する。ガラスユニット１は圧縮ばね７によりＣＣＤ１７の方向に負勢されることによりガラスユニット１外周部のミニチュアベアリング３とカムリング１０のカム面１０ａの接触が常時保たれている。このとき、ステッピングモータ１２を駆動することによりカムリング１０が回転しガラスユニット１はカムリング１０に形成されたカム面１０ａの形状に倣う形で遥動する。カム面１０ａの形状を所定の形状とすることにより、ガラスユニット１の傾斜角および傾斜方向を制御することができる。このときガラスユニット１の傾斜動作にあたっては、支持柱６がガラスユニット１の光軸周りの回転止めかつ光軸方向の可動用ガイドとして機能する。
【００１９】
次にペルチェ素子１９の動作によるＣＣＤ１７の冷却機構について説明する。本高解像度画像入力装置１００では、ＣＣＤ１７の冷却機構が実装されている。一般にＣＣＤ１７は冷却することにより暗電流ノイズを低減することができ、それによりノイズの抑制された高画質な画像を得ることができる。
【００２０】
ペルチェ素子１９は所定の方向に電流を流すことにより、片側が吸熱側、反対が放熱側として、吸熱側から放熱側へ熱を移動する動作をする。本高解像度画像入力装置１００装置では、吸熱側をＣＣＤ１７に接触させ放熱側を放熱板２０に接触させる。これによりＣＣＤ１７を冷却することができる。ＣＣＤ１７の冷却に伴い冷却部に結露発生の恐れがあるため、本実施の形態では、上記のようにＣＣＤ１７の周囲を密閉構造とし、乾燥窒素等の気体を充填することにより結露防止の機能を持たせている。
【００２１】
次に本高解像度画像入力装置１００におけるカム形状の計算方法について説明する。特許文献１に記載の構造では、ガラスユニット１とカムリング１０の接触点の内、２点が前記カムリング１０の中心を通りＸ軸もしくはＹ軸に平行な直線上に形成され、かつ他の１点と前記カムリング１０の中心を結ぶ直線が前記２点を形成する直線に対して垂直であるような配置としたため、カム面１０ａの形状は比較的単純に算出することができた。
【００２２】
一方、本実施の形態では、カム面１０ａと当接するミニチュアベアリング３は、光軸周りにほぼ１２０度間隔で３個配置されている。
【００２３】
本実施の形態では以下の方法によりカム形状を算出する。また、本実施の形態では初期位置とその周囲８ポジションの計９ポジションの画像を取得するための傾斜機構を提供する場合について説明するが、これに限らないことは言うまでもない。
【００２４】
図５は、９ポジションの位置関係を示す図である。図６は、高解像度画像入力装置１００に対するＸＹＺ軸の方向を示す図である。図７は、高解像度画像入力装置１００のミニチュアベアリング３とカムリング１０のカム面１０ａとの当接面を空間内の点としてその座標を示す図である。
【００２５】
図５に示すように、高解像画像入力装置１００の正面（入射方向Ｏ）からＣＣＤ１７を見た場合の画像のシフト方向とポジション番号（０）〜（８）を定義する。また、図６に示すように高解像度画像入力装置１００に対するＸＹＺ座標系を定義する。また、図７に示すように高解像度画像入力装置１００内のミニチュアベアリング３とカムリング１０のカム面１０ａとの当接面を空間内の点としてその座標を定義する。この３点を順にＣ１、Ｃ２、Ｃ３とする。ここにガラスユニット１上で光軸からミニチュアベアリング３とカム面１０ａとの当接面までの距離（半径）をｒとする。また、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の高さ寸法を順にｚ１、ｚ２、ｚ３とする。このとき、ｚ１、ｚ２、ｚ３がこれより算出したいカム面１０ａの基準面からの高さ寸法となる。以下、ガラスユニット１に設置された平行平板ガラス２に平行な平面の方程式を記述することによりｚ１〜ｚ３の寸法を計算する。
【００２６】
法線ベクトル（ｘ、ｙ、ｚ）＝（ａ，ｂ，ｃ）で原点（０，０，０）を通る平面の方程式は（１）式で記述される。
（１）  ａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ＝０
この平面が前記Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の３点を通る条件は、各点の座標値を上記平面の方程式に代入して、以下の（２）〜（４）式となる。
（２）  ｚ１＝−ｂ×ｒ／ｃ
（３）  ｚ２＝（３1/2×ａ＋ｂ）×ｒ／（２×ｃ）
（４）  ｚ３＝（−３1/2×ａ＋ｂ）×ｒ／（２×ｃ）
【００２７】
以下に前記ポジション番号（０）〜（８）に対応する平行平板ガラスに平行な平面の法線ベクトルを全て記載する。ここで、θはガラスユニット１の傾斜角度である。
(0)：(0,0,1)
(1)：(−sinθ,0,cosθ)
(2)：(−sinθ,−sinθ,cosθ)
(3)：(0,−sinθ,cosθ)
(4)：(sinθ,−sinθ,cosθ)
(5)：(sinθ,0,cosθ)
(6)：(sinθ,sinθ,cosθ)
(7)：(0,sinθ,cosθ)
(8)：(−sinθ,sinθ,cosθ)
【００２８】
次に各ポジション（０）〜（８）毎に（２）式から（４）式それぞれに、
（ａ，ｂ，ｃ）＝法線ベクトルの（ｘ、ｙ、ｚ）
を代入することによりｚ１、ｚ２、ｚ３をそれぞれ算出することができる。
【００２９】
一例としてポジション（１）の場合を以下に計算する。
（ａ，ｂ，ｃ）＝（−sinθ,0,cosθ）として、
ｚ１ = 0
ｚ２ ＝−３1/2／２×ｒ×tanθ
ｚ３＝３1/2／２×ｒ×tanθ
となる。同様にして他のポジション（０）、（２）〜（８）についても計算することができる。
【００３０】
図８は、本実施の形態において、ｒ＝２１．５ｍｍ、θ=０．７２３°として、各ポジション（０）から（８）のカム面１０ａの基準面からの高さ寸法ｚ１、ｚ２、ｚ３をそれぞれ計算した結果を示している。このような、ｚ１〜ｚ３の値を有するカム面１０ａを形成することにより、ガラスユニット１を所定の傾斜角度、傾斜位置にする事ができ、ポジション（０）〜（８）に画像をシフトさせることが可能になる。
【００３１】
次に本高解像度画像入力装置１００の画像データの処理過程について図９を参照しつつ説明する。
【００３２】
ＣＣＤ１７により光電変換された画像データは、Ａ／Ｄ変換機２５においてデジタルデータに変換され、フレームメモリ２６に蓄積される。上記傾斜手段により画素を移動する毎に上記と同様の動作を繰り返して所定枚数の画像データがフレームメモリ２６にそれぞれ蓄積される。
【００３３】
次にこれらの複数の画像データを画像合成手段２７により合成し、解像度の高い画像データとして、合成画像フレームメモリ２８に蓄積する。合成画像フレームメモリ２８のデータは高解像度画像入力装置１００に接続された表示手段２９により高解像度の画像として表示される。なお、Ａ／Ｄ変換機２５、フレームメモリ２６、画像合成手段２７、及び合成画像フレームメモリ２８は、プリント基板２４に配置されて位置も良いし、高解像度画像入力装置１００に接続された不図示の制御装置内に配置されていても良い。
【００３４】
以上述べたように、本実施の形態に係る高解像度画像入力装置１００によれば、ガラスユニット１の外周部にミニチュアベアリング３を配置しカムリング１０のカム面１０ａとの接触部としたため、摺動部がミニチュアベアリング３となり耐久性の良い装置を得ることができる。
【００３５】
また、従来のようにミニチュアベアリング３の取り付け部の代わりにガラスユニット１より細長い支持腕を延伸する必要がないため、たわみが少なく、高い精度の傾斜角度を得ることができ、高精度の画素移動量により十分な解像度の向上が得られる。
【００３６】
また、ミニチュアベアリング３をガラスユニット１の外周部の円周をほぼ３等分する位置に配置したため、装置の姿勢や外部からの振動衝撃による傾斜角度の精度低下がなく、高精度の画素移動量により十分な解像度の向上が得られる。
【００３７】
また、前筐体５に支持柱６を設置し、この支持柱６が軸受環８を支持するとともに、ガラスユニット１の回転制限および前後移動のガイドとして機能する構造としたため、機構部品を前筐体側にユニット化することができ、組立が簡単で製造が容易な装置を提供することができる。
【００３８】
また、ガラスユニット１と支持柱６の嵌合部に摺動性の良い材料で形成したブッシュ４を介した構造としたため、摩擦抵抗が少なく、耐摩耗性を向上させることができる。
【００３９】
なお、上記実施の形態では、カム面１０ａがカムリング１０に設けられている場合について説明したが、カム面１０ａの位置にミニチュアベアリング３が設けられ、このミニチュアベアリング３が当接するガラスユニット１のフレームにカム面が設けられていても同様の効果を奏することができる。
【００４０】
なお、上述の実施の形態は例に過ぎず、上述の構成や形状に限定されるものではなく、本発明の範囲内において適宜修正、変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施の形態に係る高解像度画像入力装置の断面概略図。
【図２】実施の形態に係る高解像度画像入力装置要部斜視図。
【図３】実施の形態に係る高解像度画像入力装置の後筐体側から見た要部展開図。
【図４】実施の形態に係る高解像度画像入力装置の前筐体側から見た（但し、前筐体は省略）要部展開図。
【図５】画像シフト方向（９ポジション）の位置関係を示す図。
【図６】高解像度画像入力装置１００に対するＸＹＺ座標系の説明図。
【図７】カム接触点の座標の説明図。
【図８】カム寸法計算結果の表。
【図９】画像処理過程のブロック図。
【符号の説明】
【００４２】
１  ガラスユニット
２  平行平板ガラス
３  ミニチュアベアリング
４  ブッシュ
５  前筐体
６  支持柱
７  圧縮ばね
８  軸受環
１０  カムリング
１０ａ  カム面
１１  押え環
１２  ステッピングモータ
１４  反射型フォトインタラプタ
１５  ＣＣＤ筐体
１７  ＣＣＤ
１９  ペルチェ素子
２０  放熱板
２３  後ろ筐体
【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】
2008219126.tif 000008
【図７】
2008219126.tif 000009
【図８】
2008219126.tif 000010
【図９】
2008219126.tif 000011