JP2014183473A - 電気機器の光学システム - Google Patents

Abstract

【課題】電気機器を薄型にでき、かつ良好な光学特性を得ることができる電気機器の光学システムを提供すること。
【解決手段】実施形態によれば、電気機器の光学システムは、撮像光学系５及び光学機能補足処理回路３を含む。撮像光学系５は、被写体からの光を取り込む。撮像光学系５は、被写体像を結像させる。電気機器は、撮像光学系５、固体撮像装置６及び画像信号処理回路であるＩＳＰ７を備える。固体撮像装置６は、被写体像を撮像する。固体撮像装置６は、画像信号を出力する。画像信号処理回路は、画像信号の処理を実施する。光学機能補足処理回路３は、固体撮像装置６及び画像信号処理回路の間の処理経路に設けられている。光学機能補足処理回路３は、被写体像の形成に関する撮像光学系５の機能の補足のための処理を実施する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電気機器の光学システムに関する。

カメラモジュールは、スマートフォン等の携帯端末への搭載のために、薄型化が強く要請されるようになっている。イメージセンサは、カメラモジュールの薄型化及び画素数の向上への対応として、画素の微細化が進められている。撮像光学系は、レンズの分解能に限りがあること、また低コスト化の要請などのために、イメージセンサの性能に対しレンズの性能が低下しがちとなっている。カメラモジュールは、画素が微細となるほど、イメージセンサの解像度に対しレンズの分解能が低下することで、光検出感度の低下、回折限界の影響が問題となる。

カメラモジュールは、薄型化の実現のために、レンズとイメージセンサとの間の距離をできるだけ短くすることが望ましい。レンズとイメージセンサとの間の距離を短くするには、レンズの材料として高屈折率材料を使用することが考えられる。カメラモジュールは、撮像光学系を構成するレンズの枚数を減らすことで、撮像光学系自体を短くして薄型化が可能となるとともに、コストの削減が可能となる。

カメラモジュールは、単に従来のレンズを高屈折率材料からなるレンズに交換するだけでは、レンズとイメージセンサとの間の距離を大幅に短縮させることは困難である。レンズ材料として、例えば高屈折率材料であるガラスを使用した場合、カメラモジュールは、材料費の増加や、撮像光学系の重量の増加が問題となる。カメラモジュールは、撮像光学系の重量の増加により、撮像光学系を駆動するアクチュエータのコストアップも問題となる。カメラモジュールは、レンズの枚数を減らすこととした場合、各種収差、撮像光学系の分解能低下が顕著となり、良好な光学性能を得ることが困難になる。また、カメラモジュールは、撮像光学系の分解能が低下することで、光検出感度の改善が困難となる。

特開２００９−１２２５１４号公報 特開２００４−８０５４５号公報

本発明の一つの実施形態は、電気機器を薄型にでき、かつ良好な光学特性を得ることができる電気機器の光学システムを提供することを目的とする。

本発明の一つの実施形態によれば、電気機器の光学システムは、撮像光学系及び光学機能補足処理回路を含む。撮像光学系は、被写体からの光を取り込む。撮像光学系は、被写体像を結像させる。電気機器は、撮像光学系、固体撮像装置及び画像信号処理回路を備える。固体撮像装置は、被写体像を撮像する。固体撮像装置は、画像信号を出力する。画像信号処理回路は、画像信号の処理を実施する。光学機能補足処理回路は、固体撮像装置及び画像信号処理回路の間の処理経路に設けられている。光学機能補足処理回路は、被写体像の形成に関する撮像光学系の機能の補足のための処理を実施する。

実施形態にかかる電気機器であるデジタルカメラの概略構成を示すブロック図。 固体撮像装置の概略構成を示すブロック図。 光学機能補足処理回路の構成を示すブロック図。 光学機能補足処理回路での処理について説明する図。

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる電気機器の光学システムを詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。

（実施形態）
図１は、実施形態にかかる電気機器であるデジタルカメラの概略構成を示すブロック図である。デジタルカメラ１は、カメラモジュール２、光学機能補足処理回路３及び後段処理部４を有する。

カメラモジュール２は、撮像光学系５及び固体撮像装置６を有する。撮像光学系５は、被写体からの光を取り込み、被写体像を結像させる。撮像光学系５は、複数のレンズを備える。固体撮像装置６は、被写体像を撮像し、画像信号を出力する。カメラモジュール２は、デジタルカメラ１以外に、例えばカメラ付き携帯端末等の電子機器に適用される。

図２は、固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。固体撮像装置６は、信号処理回路１１、及び撮像素子であるイメージセンサ１０を備える。イメージセンサ１０は、例えば、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサである。イメージセンサ１０は、ＣＭＯＳイメージセンサの他、ＣＣＤ（charge coupled device）であっても良い。

イメージセンサ１０は、画素アレイ１２、垂直シフトレジスタ１３、水平シフトレジスタ１４、タイミング制御部１５、相関二重サンプリング部（ＣＤＳ）１６、自動利得制御部（ＡＧＣ）１７及びアナログデジタル変換部（ＡＤＣ）１８を有する。

画素アレイ１２は、イメージセンサ１０の撮像領域に設けられている。画素アレイ１２は、水平方向（行方向）及び垂直方向（列方向）へアレイ状に配置された複数の画素からなる。各画素は、光電変換素子であるフォトダイオードを備える。画素アレイ１２は、各画素への入射光量に応じた信号電荷を生成する。

タイミング制御部１５は、画素アレイ１２の各画素からの信号を読み出すタイミングを指示するタイミング信号を、垂直シフトレジスタ１３及び水平シフトレジスタ１４へ供給する。垂直シフトレジスタ１３は、タイミング制御部１５からのタイミング信号である垂直同期信号に応じて、画素アレイ１２内の画素を行ごとに選択する。垂直シフトレジスタ１３は、選択した行の各画素へ読み出し信号を出力する。

垂直シフトレジスタ１３から読み出し信号が入力された画素は、入射光量に応じて蓄積した信号電荷を出力する。画素アレイ１２は、画素からの信号を、垂直信号線を介してＣＤＳ１６へ出力する。垂直シフトレジスタ１３は、画素アレイ１２のうち、信号電荷を読み出す行を選択する行選択回路として機能する。

ＣＤＳ１６は、画素アレイ１２からの信号に対し、固定パターンノイズの低減のための相関二重サンプリング処理を行う。ＡＧＣ１７は、ＣＤＳ１６における相関二重サンプリング処理を経た信号を増幅する。ＡＤＣ１８は、ＡＧＣ１７における増幅を経た信号を、アナログ方式からデジタル方式へ変換する。水平シフトレジスタ１４は、ＡＤＣ１８にてデジタル方式へ変換された信号を、タイミング制御部１５からのタイミング信号である水平同期信号に応じて、順次読み出す。

信号処理回路１１は、水平シフトレジスタ１４によって読み出されたデジタル画像信号に対し、各種の信号処理を実施する。信号処理回路１１は、例えば、キズ補正、ノイズリダクション、シェーディング補正、ホワイトバランス調整等の信号処理を実施する。固体撮像装置６は、信号処理回路１１での信号処理を経たＲＡＷ画像信号を出力する。

光学機能補足処理回路３は、被写体像の形成に関する撮像光学系５の機能を補足するための処理を実施する。光学機能補足処理回路３は、撮像光学系５の機能の補足のための処理を施したＲＡＷ画像信号を出力する。撮像光学系５及び光学機能補足処理回路３は、デジタルカメラ１の光学システムを構成する。

光学機能補足処理回路３は、例えばコンパニオンチップとして構成されている。光学機能補足処理回路３は、固体撮像装置６の信号処理回路１１、後段処理部４のＩＳＰ７のいずれとも別の回路基板に設けられている。なお、光学機能補足処理回路３は、デジタルカメラ１内のいずれの位置に配置されたものとしても良い。光学機能補足処理回路３は、例えば、固体撮像装置６内に設けられたものとしても良い。

後段処理部４は、イメージシグナルプロセッサ（image signal processor；ＩＳＰ）７、記憶部８及び表示部９を有する。ＩＳＰ７は、画像信号処理回路である。ＩＳＰ７は、固体撮像装置６での撮像により得られたＲＡＷ画像信号の信号処理を実施する。光学機能補足処理回路３は、固体撮像装置６の信号処理回路１１とＩＳＰ７との間の処理経路に設けられている。

ＩＳＰ７は、ＲＡＷ画像に対する画素補間処理（デモザイキング）等を実施する。ＩＳＰ７は、ＲＡＷ画像信号への画素補間処理により、不足色成分の感度レベル値を生成する。ＩＳＰ７は、光学機能補足処理回路３での処理を経たＲＡＷ画像信号への画素補間処理により、カラーのビットマップ画像を合成する。また、ＩＳＰ７は、デモザイク後のカラー画像に対し、画質改良のための各種補正を施す。

記憶部８は、ＩＳＰ７での信号処理を経た画像を格納する。記憶部８は、ユーザの操作等に応じて、表示部９へ画像信号を出力する。表示部９は、ＩＳＰ７あるいは記憶部８から入力される画像信号に応じて、画像を表示する。表示部９は、例えば、液晶ディスプレイである。

図３は、光学機能補足処理回路の構成を示すブロック図である。光学機能補足処理回路３は、倍率色収差低減補足部２１、解像度復元補足部２２及び歪曲補正補足部２３を有する。

撮像光学系５を構成するレンズは、倍率色収差を生じさせる。倍率色収差は、光の波長に依存して像の倍率が変化することによって生じる。撮像光学系５は、レンズの特性に起因する倍率色収差を低減させる機能を備える。倍率色収差低減補足部２１は、ＲＡＷ画像信号に対し、撮像光学系５による倍率色収差の低減のための機能を補足する信号処理を実施する。

撮像光学系５を構成するレンズは、軸上色収差を生じさせる。軸上色収差は、光の波長に依存して屈折率が変化することによって生じる。撮像光学系５は、レンズの特性に起因する軸上色収差を低減させるための解像度復元の機能を備える。解像度復元補足部２２は、ＲＡＷ画像信号に対し、撮像光学系５による解像度復元の機能を補足する信号処理を実施する。

撮像光学系５を構成するレンズは、歪曲収差を生じさせる。歪曲収差は、像が変形する現象である。被写体像が歪む度合いは、画面の中心から離れるにしたがって大きくなる。撮像光学系５は、レンズの特性に起因する被写体像の歪曲を補正する機能を備える。歪曲補正補足部２３は、撮像光学系５による歪曲補正の機能を補足する信号処理を実施する。

図４は、光学機能補足処理回路での処理について説明する図である。カメラモジュール２は、薄型化の実現のために、撮像光学系５とイメージセンサ１０との間の距離をできるだけ短くすることが望ましい。撮像光学系５とイメージセンサ１０との間の距離を短くするには、レンズの材料として高屈折率材料を使用することが考えられる。カメラモジュール２は、撮像光学系５を構成するレンズの枚数を減らすことで、撮像光学系５自体を短くできるとともに、コストの削減が可能となる。その一方で、撮像光学系５は、レンズの枚数を増やすことで、各種収差を抑制させることができる。

仮に、カメラモジュール２は、撮像光学系５の機能から所望の光学特性を得るために、撮像光学系５を５枚のレンズで構成しているとする。５枚のレンズで構成された撮像光学系５は、例えば倍率色収差の低減、解像度復元、歪曲補正を十分になし得る機能を備える。この場合において、例えば、撮像光学系５のレンズを、５枚から４枚へ変更を試みたとする。

カメラモジュール２は、撮像光学系５を構成するレンズの枚数を減らしたことで、撮像光学系５自体を短くして薄型化が可能となるとともに、コストの削減が可能となる。ただし、撮像光学系５は、レンズの枚数を減らしたことで、各種収差を抑制させることが困難となる。この撮像光学系５を使用して被写体３０を撮像すると、イメージセンサ１０で得られる被写体像３１には、倍率色収差、軸上色収差、歪曲が顕著に生じることとなる。カメラモジュール２は、撮像光学系５での収差が残存することで、良好な光学特性を得ることが困難となる。

本実施形態の光学システムは、カメラモジュール２の薄型化のために撮像光学系５のレンズを減少させたことで、撮像光学系５だけでは吸収しきれなくなった光学性能の劣化分を、光学機能補足処理回路３が補うこととしている。通常の撮影において十分な光学特性を得られるレンズ構成の撮像光学系５を想定した場合に、その撮像光学系５を構成するレンズの一部の機能を、光学機能補足処理回路３が担う。

本実施形態の光学システムは、被写体像の形成に関し撮像光学系５の機能を補足する光学機能補足処理回路３を設ける代わりに、撮像光学系５のレンズの枚数を減らすことができる。本実施形態の撮像光学系５は、例えば４枚のレンズで構成されている。

倍率色収差低減補足部２１は、撮像光学系５の光軸ＡＸに垂直な方向における、色光ごとの結像点のずれを補正する機能を補足する。解像度復元補足部２２は、撮像光学系５の光軸ＡＸの方向における結像点のずれを補正する機能を補足する。歪曲補正補足部２３は、被写体像３１の歪みを修正する機能を補足する。

デジタルカメラ１は、光学機能補足処理回路３での信号処理によって、倍率色収差の低減、解像度復元、歪曲補正がなされたＲＡＷ画像３２を得る。デジタルカメラ１は、固体撮像装置６とＩＳＰ７との間の処理経路に光学機能補足処理回路３を配置することで、撮像光学系５に起因して一旦劣化した光学特性を、後段処理部４でのデモザイク処理等の前段階にて改善させることができる。

光学機能補足処理回路３は、ＩＳＰ７へ入力される前のＲＡＷ画像信号に対し、撮像光学系５の光学特性を補うための処理を実施する。これに対し、後段処理部４のＩＳＰ７は、デモザイク後のカラー画像信号に対し、画質改良のための各種補正を施す。本実施形態において、光学機能補足処理回路３は、ＩＳＰ７とは異なる処理手段として機能する。デジタルカメラ１は、撮像光学系５における光学特性の劣化に関わらず、従来と同様の処理を実施可能なＩＳＰ７を用いることができる。例えば、光学機能補足処理回路３での演算として、非線形関数へのデータの当てはめ（フィッティング）を行う場合に、光学機能補足処理回路３での演算では、ＩＳＰ７での演算の場合に比べて高い次数を適用できる。

デジタルカメラ１は、撮像光学系５にて収差を積極的に残せることで、撮像光学系５のレンズへの機能負荷を軽減可能とする。撮像光学系５は、レンズの高機能化を不要にできる分、レンズに求められる精度を緩和させることができる。カメラモジュール２は、撮像光学系５のレンズを少なくできる上、各レンズに求められる精度を緩和できることで、コスト低減が可能となる。

本実施形態の光学システムは、撮像光学系５のレンズを少なくすることに加えて、撮像光学系５のレンズの少なくともいずれかを、高屈折率、高分散材料からなるものとしても良い。デジタルカメラ１は、かかるレンズ材料の変更によって生じ得る各種収差を、光学機能補足処理回路３での処理によって吸収することができる。

撮像光学系５は、例えば４枚のレンズを備える場合に、入射側から１番目のレンズと３番目のレンズとを低屈折率（例えばｎ＝１．５）かつ低分散とし、入射側から２番目のレンズと４番目のレンズとを高屈折率（例えばｎ＝１．６）かつ高分散となるように、各レンズの材料を選択しても良い。撮像光学系５は、４枚のレンズのうち最もイメージセンサ１０の近くに位置する４番目のレンズを、高屈折率及び高分散材料からなるレンズとしている。カメラモジュール２は、従来に比べ多くのレンズを高屈折率材料からなるレンズとして撮像光学系５を構成できる。これにより、カメラモジュール２は、撮像光学系５からイメージセンサ１０までの焦点距離を縮めることができる。

カメラモジュール２は、撮像光学系５のレンズを少なくしているため、撮像光学系５の軽量化が可能となる。カメラモジュール２は、撮像光学系５の軽量化により、撮像光学系５を駆動するアクチュエータのコストダウンも可能となる。撮像光学系５は、レンズ材料とする高屈折率材料にガラスを使用しても良い。カメラモジュール２は、レンズ材料としてガラスを使用するためによる重量の増加分を、撮像光学系５のレンズを少なくしたことによる重量の減少分によって、ある程度は相殺することができる。また、カメラモジュール２は、レンズ材料としてガラスを使用するためによるコストの増加分を、撮像光学系５のレンズを少なくしたことによるコストの減少分によって、ある程度は相殺することができる。

本実施形態によると、カメラモジュール２は、撮像光学系５を構成するレンズの枚数を減らすこと、高屈折率材料からなるレンズを使用することで、薄型化を実現することができる。光学機能補足処理回路３は、カメラモジュール２の薄型化によって撮像光学系５が負担しきれなくなった機能を補足する。デジタルカメラ１は、光学機能補足処理回路３の処理によって、各種収差の抑制、光学システムの分解能の維持を可能とする。デジタルカメラ１は、光学システムの分解能を維持可能とすることで、光検出感度の改善が可能となる。

以上により、電気機器の光学システムは、電気機器を薄型にさせることができ、かつ良好な光学特性を得られるという効果を奏する。デジタルカメラ１は、良好な光学性能の光学システムによって、収差及び分解能低下が抑制されたＲＡＷ画像３２を得ることができる。

なお、光学機能補足処理回路３は、倍率色収差低減補足部２１、解像度復元補足部２２及び歪曲補正補足部２３の少なくともいずれかを備えるものであれば良い。この場合も、電気機器の光学システムは、電気機器を薄型にさせ、かつ良好な光学特性を得るという効果が得られる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ デジタルカメラ、３ 光学機能補足処理回路、５ 撮像光学系、６ 固体撮像装置、７ ＩＳＰ、２１ 倍率色収差低減補足部、２３ 歪曲補正補足部。

Claims (5)

1. 被写体からの光を取り込み、被写体像を結像させる撮像光学系と、
   前記被写体像を撮像し、画像信号を出力する固体撮像装置と、
   前記画像信号の処理を実施する画像信号処理回路と、を備える電気機器に設けられ、
   前記撮像光学系と、
   前記固体撮像装置及び前記画像信号処理回路の間の処理経路に設けられ、前記被写体像の形成に関する前記撮像光学系の機能の補足のための処理を実施する光学機能補足処理回路と、を含み、
   前記光学機能補足処理回路は、
   前記撮像光学系による倍率色収差を低減させる機能を補足する倍率色収差低減補足部と、
   前記撮像光学系による前記被写体像の解像度復元の機能を補足する解像度復元補足部と、
   前記撮像光学系による前記被写体像の歪曲補正の機能を補足する歪曲補正補足部と、を有することを特徴とする電気機器の光学システム。
2. 被写体からの光を取り込み、被写体像を結像させる撮像光学系と、
   前記被写体像を撮像し、画像信号を出力する固体撮像装置と、
   前記画像信号の処理を実施する画像信号処理回路と、を備える電気機器に設けられ、
   前記撮像光学系と、
   前記固体撮像装置及び前記画像信号処理回路の間の処理経路に設けられ、前記撮像光学系による前記被写体像の形成に関する機能の補足のための処理を実施する光学機能補足処理回路と、を含むことを特徴とする電気機器の光学システム。
3. 前記光学機能補足処理回路は、前記撮像光学系による倍率色収差を低減させる機能を補足する倍率色収差低減補足部を有することを特徴とする請求項２に記載の電気機器の光学システム。
4. 前記光学機能補足処理回路は、前記撮像光学系による前記被写体像の解像度復元の機能を補足する解像度復元補足部を有することを特徴とする請求項２に記載の電気機器の光学システム。
5. 前記光学機能補足処理回路は、前記撮像光学系による前記被写体像の歪曲補正の機能を補足する歪曲補正補足部を有することを特徴とする請求項２に記載の電気機器の光学システム。

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