JPH04252677A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、高解像度化のために
画素ズラシ技術を利用する固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は、画素ズラシ技術を利用して高解
像度化を図るようにした固体撮像装置の一例を示すもの
である。被写体からの像光Ｌは、撮像レンズ１を介して
ＣＣＤ固体撮像素子２に供給される。撮像素子２ではＣ
ＣＤ駆動回路７によって撮像動作が行なわれる。ＣＣＤ
駆動回路７には同期信号発生器５より垂直、水平の同期
信号ＶＤ　、ＨＤ　が同期基準信号として供給される。

【０００３】撮像素子２より出力される撮像信号はフレ
ームメモリ３ａ、３ｂに供給される。これらフレームメ
モリ３ａ、３ｂの書き込みおよび読み出しはメモリコン
トローラ４によって制御される。このメモリコントロー
ラ４には同期信号発生器５より垂直同期信号ＶＤ　（図
７のＡに図示）が基準同期信号として供給される。

【０００４】撮像素子２は画素ズラシ駆動器６によって
所定フレーム期間毎に水平方向の一方および他方にＰｈ
／２（Ｐｈは撮像素子２の水平方向の画素ピッチ）だけ
移動される。つまり、所定フレーム期間毎に、図９に示
す「第１フレーム」および「第２フレーム」の状態とさ
れる。ここで、画素ズラシ駆動器６の動作はメモリコン
トローラ４によって行なわれる。これにより、フレーム
メモリ３ａ、３ｂの書き込みおよび読み出しと、撮像素
子２の移動とが互い関連して制御される。

【０００５】図１０は双方のフレーム状態における被写
体の撮像ポイントを模式的に示している。すなわち、「
第１フレーム」の状態においては、撮像ポイントＰ１、
Ｐ３、Ｐ５からの像光Ｌ（実線図示）が撮像素子２の受
光素子ＰＥ１、ＰＥ２、ＰＥ３に供給されて撮像が行な
われる。これに対して、「第２フレーム」の状態におい
ては、撮像ポイントＰ１、Ｐ３、Ｐ５にそれぞれ隣接す
る撮像ポイントＰ２、Ｐ４、Ｐ６からの像光Ｌ（破線図
示）が撮像素子２の受光素子ＰＥ１、ＰＥ２、ＰＥ３に
供給されて撮像が行なわれる。

【０００６】以上の構成において、メモリコントローラ
４によって画素ズラシ駆動器６が制御され、撮像素子２
が所定フレーム期間毎に水平方向に移動され、「第１フ
レーム」および「第２フレーム」の状態とされる。双方
のフレーム状態の期間では、メモリコントローラ４の制
御によりフレームメモリ３ａ、３ｂがそれぞれ１フレー
ム期間（２Ｖ）だけ書き込み状態とされ、順次１フレー
ム分の撮像信号が書き込まれる。図７のＢ、Ｃにはフレ
ームメモリ３ａ、３ｂに対する書き込みパルスＰｗａ、
Ｐｗｂを示しており、ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２、ｃ１、
ｃ２はそれぞれの期間で書き込まれる撮像信号である。

【０００７】また、メモリコントローラ４によってフレ
ームメモリ３ａ、３ｂが制御され、フレームメモリ３ａ
、３ｂに書き込まれた１フレーム分の撮像信号が繰り返
し読み出される。この場合、フレームメモリ３ａ、３ｂ
の読み出しタイミングは撮像素子２の画素位置のずらし
量に対応して調整される。つまり、各フレームにおける
フレームメモリ３ｂの読み出しタイミングは、フレーム
メモリ３ａの読み出しタイミングよりＴｘ／２（Ｔｘは
画素周期）だけ遅延される。図７のＤ、Ｅには、それぞ
れフレームメモリ３ａ、３ｂより出力される撮像信号Ｓ
ａ、Ｓｂを示している。

【０００８】フレームメモリ３ａ、３ｂより出力される
撮像信号はＳａ、Ｓｂは、切換スイッチ８のａ側、ｂ側
の固定端子にそれぞれ供給される。切換スイッチ８には
同期信号発生器５より切換制御信号ＳＷａが供給される
。この切換制御信号ＳＷａは、フレームメモリ３ａより
出力される撮像信号Ｓａ（図８のＡに図示）の各画素期
間の前半でハイレベル「Ｈ」となると共に、フレームメ
モリ３ｂより出力される撮像信号Ｓｂ（同図Ｂに図示）
の各画素期間の前半でローレベル「Ｌ」となり、Ｔｘ周
期でデューティ５０％の矩形波信号である（同図Ｃに図
示）。

【０００９】切換スイッチ８は、切換制御信号ＳＷａが
ハイレベル「Ｈ」となる期間はａ側に接続され、ローレ
ベル「Ｌ」となる期間はｂ側に接続される。そのため、
切換スイッチ８では撮像信号Ｓａ、ＳｂがＴｘ／２の周
期で交互に選択され、切換スイッチ８からは画素周期が
Ｔｘ／２である撮像信号Ｓｏが出力される（同図Ｄに図
示）。図７のＦは切換スイッチ８の出力を示しており、
斜線図示部は撮像信号Ｓａ、Ｓｂで形成される撮像信号
Ｓｏとなる。

【００１０】このように切換スイッチ８より画素周期が
Ｔｘ／２である撮像信号Ｓｏが得られ、実質的に撮像素
子２の画素数を２倍にしたと同様の撮像信号を得ること
ができ、最大画素限界以上の解像度を得ることができる
。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図６に示す固
体撮像装置によれば、撮像素子２の位置を水平方向に移
動させて画素ズラシを行なうので、撮像素子２の撮像面
と光軸との直交関係を保つことが困難となり、撮像面の
焦点ズレのために高解像度化が困難となる。

【００１２】また、撮像素子２に一定周期の振動が与え
られることになるので、撮像素子２と電気的に接続する
基板パターン半田部に半田クラックやパターン切れが生
じ易くなる。

【００１３】さらに、例えば１／２インチのＣＣＤ固体
撮像素子２においては、Ｐｈ／２の可動幅は４．２〜７
．５μｍ程度となるが、この可動幅を安定した動作で保
つためには、かなり高度な技術を要する。

【００１４】そこで、この発明では、撮像面の焦点ズレ
や基板パターン半田部にクラック等を生じることなく、
安定した画素ズラシができるようにするものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この発明は、撮像素子で
撮像される画像位置を順次ずらして得られる複数フレー
ムの撮像信号を処理して出力する固体撮像装置において
、撮像素子と撮像レンズとの間に光路変更手段を配し、
この光路変更手段で光路をずらすことで撮像素子で撮像
される画像位置をずらすものである。

【００１６】

【作用】撮像レンズ１と撮像素子２との間に配した光路
変更手段、例えばガラス板１０で光路をずらすことによ
り画素ズラシが行なわれる。つまり、撮像素子２は常に
固定されている。これにより、撮像素子２の撮像面と光
軸との直交関係が精度よく保たれ、高解像度化に支障と
なる撮像面の焦点ズレ等を起こさなくなる。また、撮像
素子２に振動が与えられることがなく、撮像素子２と電
気的に接続する基板パターン半田部に振動による半田ク
ラックやパターン切れが生じなくなる。

【００１７】

【実施例】以下、図１を参照しながら、この発明の一実
施例について説明する。本例においては、撮像素子２を
水平方向に移動させる代わりに、像光Ｌの光路を変更し
て画素ズラシを行なうようにしたものである。図１にお
いて、図６と対応する部分には同一符号を付し、その詳
細説明は省略する。

【００１８】本例において、撮像レンズ１を通過した像
光Ｌは光路変更用のガラス板１０を通して撮像素子２に
供給される。ガラス板１０は垂直方向に延びる回転軸（
図示せず）を中心として回転可能に設けられる。ガラス
板１０は駆動コントローラ１２の制御のもと回転駆動器
１１によって３フレーム期間（６Ｖ）毎に正または負の
方向に所定角θだけ回転される。例えば、ガラス板１０
の水平軸が光軸に対して直交する第１の回転位置（図１
に破線で図示）と、この第１の回転位置より所定角θだ
け回転する第２の回転位置（図１に実線で図示）となる
ように回転制御される。

【００１９】１３はガラス板１０の回転角を検出する角
度センサである。角度センサ１３の検出信号は駆動コン
トローラ１２に供給され、ガラス板１０の回転制御のた
めに使用される。

【００２０】ここで、角度θは、ガラス板１０が第１お
よび第２の回転位置とされて撮像素子２で撮像される画
像の位置が水平方向にＰｈ／２だけずれるように設定さ
れる。すなわち、ガラス板１０が第１の回転位置とされ
る場合には撮像素子２の位置が「第１フレーム」の状態
（図９に実線で図示）にある場合と等価となり、ガラス
板１０が第２の回転位置とされる場合には撮像素子２の
位置が「第２フレーム」の状態（図９に破線で図示）に
ある場合と等価となる。

【００２１】ここで、第１および第２の回転位置におけ
る光路ズレｄを、図２を使用して説明する。Ｂ点を入光
点とする光路ＡＢのスポット光が入射したとする。ガラ
ス板１０が第１の回転位置にあるとき（図２に破線図示
）、スポット光はガラス板１０内では光路ＢＥ、さらに
ガラス板１０外では光路ＥＦに沿って直進する。

【００２２】次に、ガラス板１０が角度θだけ回転して
第２の回転位置となるとき（図２に実線図示）、ガラス
板１０内では角度（屈折角）θ′の屈折が発生して光路
ＢＣに沿って進み、さらにガラス板１０外では光路ＥＦ
と平行な光路ＣＤに沿って進む。

【００２３】ここで、空気中の屈折率をｎ１、ガラスの
屈折率をｎ２とすると、これら屈折率ｎ１、ｎ２と角度
θ、θ′との関係は、 ｎ１・ｓｉｎθ＝ｎ２・ｓｉｎθ′ となり、空気中の屈折率をｎ１を等価的に１とすると、
ｓｉｎθ′＝ｓｉｎθ／ｎ２ となる。そのため、ガラス板１０の厚さをｔとすると、
光路ズレｄは、数１に示すようになる。したがって、数
１で求められる光路ズレｄがＰｈ／２となるように角度
θが設定されることになる。

【００２４】

【数１】

【００２５】

【００２６】図３は、ガラス板１０の回転駆動システム
の構成を示す図であり、図１と対応する部分には同一符
号を付している。同図において、電源端子（Ｖｃｃ）と
接地間には抵抗器１２１、半固定抵抗器１２２および抵
抗器１２３の直列回路が接続される。抵抗器１２１およ
び半固定抵抗器１２２の接続点に得られる電圧ＶＨ　は
切換スイッチ１２４のａ側の固定端子に供給され、半固
定抵抗器１２２および抵抗器１２３の接続点に得られる
電圧ＶＬ　は切換スイッチ１２４のｂ側の固定端子に供
給される。

【００２７】切換スイッチ１２４にはメモリコントロー
ラ４より切換制御信号ＳＷｂが供給される。この切換制
御信号ＳＷｂは３フレーム期間（６Ｖ）毎にハイレベル
「Ｈ」およびローレベル「Ｌ」となるデューティ５０％
で６フレーム期間の周期を有する矩形波信号である（図
４のＢに図示、同図Ａには垂直同期信号ＶＤ　を図示）
。 切換スイッチ１２４は、切換制御信号ＳＷがハイレベル
「Ｈ」となる期間はａ側に接続され、ローレベル「Ｌ」
となる期間はｂ側に接続される。この切換スイッチ１２
４の出力信号はオペアンプ１２５の非反転入力端子に供
給される。

【００２８】また、角度センサ１３を構成するセンサ１
３１は、例えば磁気的あるいは光学的にガラス板１０の
回転位置を検出する周知の構成とされ、このセンサ１３
１からはガラス板１０の回転位置に対応したレベルの信
号が出力される。センサ１３１の出力信号はアンプ１３
２で増幅されたのち、抵抗器１２６を介してオペアンプ
１２５の反転入力端子に供給される。

【００２９】オペアンプ１２５の出力端子は帰還抵抗器
１２７および発振防止用のコンデンサ１２８の並列回路
を介して反転入力端子に接続される。そして、オペアン
プ１２５の出力信号がドライバ１２９に供給され、この
ドライバ１２９によって回転駆動器１１、例えばモータ
が駆動される。

【００３０】この場合、角度センサ１３の出力信号Ｓｓ
ｎと、切換スイッチ１２４の出力信号Ｓｃｍとが等しく
なるように制御される。つまり、ＳｓｎがＳｃｍより大
きくなるときにはドライバ１２９の出力信号Ｓｄｒが小
さくなり、ガラス板１０が負方向に回転駆動され、この
とき角度センサ１３の出力信号Ｓｓｎは小さくなってい
く。一方、ＳｓｎがＳｃｍより小さくなるときにはドラ
イバ１２９の出力信号Ｓｄｒが大きくなり、ガラス板１
０が正方向に回転駆動され、このとき角度センサ１３の
出力信号Ｓｓｎは大きくなっていく。

【００３１】そのため、切換スイッチ１２４がａ側から
ｂ側に切り換えられるときには、ガラス板１０が負方向
に所定位置（第１の回転位置）まで回転駆動される。一
方、切換スイッチ１２４がｂ側からａ側に切り換えられ
るときには、ガラス板１０が正方向に所定位置（第２の
回転位置）まで回転駆動される。ここで、固定抵抗器１
２２の抵抗値を調整して電圧ＶＨ　およびＶＬ　を変化
させることができ、これにより第１および第２の回転位
置の間の角度θを調整することができ、光路ズレｄをＰ
ｈ／２とするように設定できる。実際の調整にあたって
は、解像度チャートをモニタし、解像度が最良となるよ
うに調整することになる。なお、上述説明では、第１の
回転位置は、例えばガラス板１０の水平軸が光軸に対し
て直交する位置にあるとして説明してきたが、必ずしも
この位置にあるとは限らない。要は、光路ズレｄがＰｈ
／２となるように第１および第２の回転位置の角度θが
設定されてあればよい。

【００３２】図４のＣは、切換スイッチ１２４の出力信
号Ｓｃｍ（実線図示）および角度センサ１３の出力信号
Ｓｓｎ（破線図示）を示しており、信号Ｓｃｍの変化時
には信号Ｓｓｎが過渡振動をしながら信号Ｓｃｍに等し
くなって安定する。図５のＡは、信号Ｓｃｍ、Ｓｓｎな
らびにドライバ１２９の出力信号Ｓｄｒの関係を示した
ものである。

【００３３】切換スイッチ１２４がｂ側からａ側に切り
換えられ、信号Ｓｃｍの電圧がＶＬからＶＨ　に変化す
ると、ＳｓｎがＳｃｍより小さくなるので、信号Ｓｄｒ
が大きくなってガラス板１０は正方向に回転駆動され、
これに伴い信号Ｓｓｎが徐々に大きくなる。ＳｓｎがＳ
ｃｍと等しくなる時点ｔ１でガラス板１０は第２の回転
位置となるが、回転トルクや回転駆動器１１の過渡現象
によって安定に停止せず、その位置を通過する。すると
、ＳｓｎがＳｃｍより大きくなるので、信号Ｓｄｒが小
さくなってガラス板１０は負方向に回転駆動される。こ
の繰り返しによって、ガラス板１０が第２の回転位置で
安定する。切換スイッチ１２４がａ側からｂ側に切り換
えられ、信号Ｓｃｍの電圧がＶＨ　からＶＬ　に変化す
る場合にも同様に動作し、ガラス板１０は第１の回転位
置に安定する。

【００３４】ここで、ガラス板１０の回転位置が安定す
るまでの時間はコンデンサ１２８の容量によって決まり
、その容量を小さくすることで時間を短くすることがで
きる。つまり、図５の斜線部分の面積Ｓはコンデンサ１
２８の容量に比例したものとなる。なお、コンデンサ１
２８の容量を小さくし過ぎると帰還率がよくなるため、
発振を生じるおそれがある。本例においては、切換スイ
ッチ１２４の切換時点から４Ｖの時間内に安定するよう
に設定される。

【００３５】図１に戻って、撮像素子２より出力される
撮像信号はフレームメモリ３ａ、３ｂに供給される。こ
れらフレームメモリ３ａ、３ｂの書き込みおよび読み出
しはメモリコントローラ４によって制御され、ガラス板
１０の回転駆動に同期して制御される。つまり、切換ス
イッチ１２４（図３参照）がｂ側からａ側に切り換えら
れる直前の１フレーム期間（２Ｖ）の撮像信号、したが
ってガラス板１０が第１の回転位置に安定している１フ
レーム期間の撮像信号がフレームメモリ３ａに書き込ま
れる（図４のＤおよび図５のＢに書き込みパルスＰｗａ
を図示）。一方、切換スイッチ１２４がａ側からｂ側に
切り換えられる直前の１フレーム期間の撮像信号、した
がってガラス板１０が第２の回転位置に安定している１
フレーム期間の撮像信号がフレームメモリ３ｂに書き込
まれる（図４のＥおよび図５のＣに書き込みパルスＰｗ
ｂを図示）。図４のＤ、Ｅのａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２、
ｃ１、ｃ２はそれぞれの期間で書き込まれる撮像信号で
ある。

【００３６】また、フレームメモリ３ａ、３ｂに書き込
まれた１フレーム分の撮像信号が繰り返し読み出される
。この場合、フレームメモリ３ａ、３ｂの読み出しタイ
ミングはガラス板１０の回転位置、つまり撮像素子２で
撮像される画像位置にに対応して調整される。つまり、
図６の例と同様に各フレームにおけるフレームメモリ３
ｂの読み出しタイミングは、フレームメモリ３ａの読み
出しタイミングよりＴｘ／２（Ｔｘは画素周期）だけ遅
延される。図４のＦ、Ｇには、それぞれフレームメモリ
３ａ、３ｂより出力される撮像信号Ｓａ、Ｓｂを示して
いる。

【００３７】フレームメモリ３ａ、３ｂより出力される
撮像信号はＳａ、Ｓｂは、切換スイッチ８のａ側、ｂ側
の固定端子にそれぞれ供給される。切換スイッチ８の動
作は、図６に示す例と同様であり、この切換スイッチ８
からは画素周期がＴｘ／２である撮像信号Ｓｏが出力さ
れる（図８のＤ参照）。図４のＨは切換スイッチ８の出
力を示しており、斜線図示部は撮像信号Ｓａ、Ｓｂで形
成される撮像信号Ｓｏとなる。

【００３８】このように本例によれば、撮像レンズ１と
撮像素子２との間に配したガラス板１０を回転駆動して
光路を水平方向にＰｈ／２ずらすことで、図６に示す例
のように撮像素子２を水平方向にＰｈ／２移動させる場
合と同様の画素ずらし状態を得るものである。したがっ
て、撮像素子２を常に固定しておくので、撮像素子２の
撮像面と光軸との直交関係を精度よく保つことができ、
高解像度化に支障となる撮像面の焦点ズレ等を起こさな
くなる。

【００３９】また、撮像素子２を常に固定しておくので
、撮像素子２に振動が与えられることはなく、撮像素子
２と電気的に接続する基板パターン半田部に振動による
半田クラックやパターン切れが生じなくなる。

【００４０】また、角度センサ１２によってガラス板１
０の回転位置を常に検出し、その検出信号に応じてガラ
ス板１０の回転位置を制御しているので、ガラス板１０
の回転位置を精度よく制御でき、安定した画素ズラシを
行なうことができる。

【００４１】さらに、半固定抵抗器１２２を調整するこ
とで、ガラス板１０の回転角度θを調整できるので、簡
単に最良の高解像度画を得るように調整することができ
る。

【００４２】なお、上述実施例においては、水平方向に
Ｐｈ／２だけ画素ズラシした２フレーム分の撮像信号を
使用して実質的に水平方向の画素を２倍にしたと同様の
解像度を得る例を示したが、一般的に水平方向に順次Ｐ
ｈ／Ｎ（Ｎは２以上の整数）の画素ズラシしたＮフレー
ム分の撮像信号を使用して実質的に水平方向の画素をＮ
倍にしたと同様の解像度を得る例に適用することができ
る。また、水平方向だけでなく、垂直方向あるいは斜め
方向に画素ズラシをしてその方向の解像度を高めるもの
にも適用することができる。

【００４３】

【発明の効果】この発明によれば、画素ズラシを撮像レ
ンズと撮像素子との間に配した光路変更手段で光路をず
らすことで行なうので、撮像素子は常に固定され、撮像
素子の撮像面と光軸との直交関係を精度よく保つことが
でき、高解像度化に支障となる撮像面の焦点ズレ等を起
こさなくなる。また、撮像素子に振動が与えられること
はなく、撮像素子と電気的に接続する基板パターン半田
部に振動による半田クラックやパターン切れが生じなく
なる。

【００４４】また、ガラス板を回転駆動することで光路
をずらして画素ズラシを行なうもので、ガラス板の回転
位置を検出する角度センサを設け、この角度センサの検
出信号に基づいて回転位置が制御されることにより、安
定な画素ズラシを行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例のブロック構成を示す図である。

【図２】光路ズレの原理を示す図である。

【図３】回転駆動システムの構成を示す図である。

【図４】実施例の各部信号を示す図である。

【図５】回転駆動システムの動作信号を示す図である。

【図６】従来例のブロック構成を示す図である。

【図７】従来例の各部信号を示す図である。

【図８】高解像度信号処理の説明のための図である。

【図９】ＣＣＤ画素ズラシの説明のための図である。

【図１０】画素ズラシの原理を説明するための図である
。

【符号の説明】

１　　撮像レンズ ２　　ＣＣＤ固体撮像素子 ３ａ，３ｂ　　フレームメモリ ４　　メモリコントローラ ５　　同期信号発生器 ７　　ＣＣＤ駆動回路 ８　　切換スイッチ １０　　光路変更用のガラス板 １１　　回転駆動器 １２　　駆動コントローラ １３　　角度センサ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　撮像素子で撮像される画像位置を順次
   ずらして得られる複数フレームの撮像信号を処理して出
   力する固体撮像装置において、上記撮像素子と撮像レン
   ズとの間に光路変更手段を配し、この光路変更手段で光
   路をずらすことで上記撮像素子で撮像される画像位置を
   ずらすことを特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】　　上記光路変更手段としてガラス板が使
   用され、このガラス板が回転駆動されることで光路をず
   らすことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 【請求項３】　　上記ガラス板の回転位置を検出する角
   度センサを設け、この角度センサの検出信号に基づいて
   上記ガラス板の回転位置が制御されることを特徴とする
   請求項２記載の固体撮像装置。