JPH0444870B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は固体撮像カメラに関し、特に静止した
被写体を撮像する場合に高解像度の撮像出力信号
が得られるようにしたもので、いわゆる電子式ス
チールカメラ等に固体撮像カメラを提供するもの
である。

（発明の技術的背景） 近年、CCDなどの電荷転送素子を利用した所
謂固体撮像素子が実用化されてきており、これを
用いた固体撮像カメラが種々提案されてきてい
る。しかし、固体撮像素子の受光面構造は、第１
図に模式的に示したように、受光面Ｓ内に多数の
微少受光素子Ｐが規則的ではあるが離散して配置
されているため、結像面にこの受光面を一致させ
ておいたとしても光不感領域Ｑに至る入射光像は
何ら映像信号として利用されることがない。

このような固体撮像素子を用いた固体撮像カメ
ラの解像度を高める試みとして、被写体が静止し
ているかもしくは動きがきわめて遅い場合、空間
絵素ずらしという手法がある。この手法は、第１
図の光不感領域Ｑに受光素子Ｐに相当するもう１
個の絵素を等価的に配置する方法である。例えば
第２図に示すように、一旦正規の状態で受光素子
Ｐからの映像信号を画像メモリに取り込んだ後、
撮像すべき光像を微少角偏向することによつて互
いに隣接する受光素子Ｐ間の光不感領域に到達し
ていた光像を矢印Ｘで示すように隣接する受光素
子Ｐ上にもたらす。そして再度この状態で受光素
子Ｐからの撮像信号を画像メモリに取り込んだ
後、両映像信号を画像メモリ上で合成して２倍の
絵素数を有する映像信号を得るようにしたもので
あつて、これによれば、水平方向の解像度は原理
的に２倍になる。この場合、光像の偏向に機械的
可動手段を用いると偏向のために若干の時間を要
するため、撮像する対象物体としては静止した被
写体の方が好ましい。

こうした空間絵素ずらしの手法は、例えば第３
図に原理構成を示すように、撮像レンズ１０の前
面にレンズ光軸Ｏを別小角偏向させる光軸偏向手
段１２を配置し、また固体撮像素子１４から得ら
れる撮像出力信号を記録するフレームメモリ１６
によつて達成される。この構成によればまず光軸
偏向手段１２の初期状態すなわち光軸偏向のない
状態で被写体を撮像し、撮像出力信号をフレーム
メモリ１６に記録し、次に光軸偏向手段１２を動
作させ撮像レンズ１０への光軸をδだけ傾けた状
態で再度撮像を行なう。撮像レンズ１０への入射
光線がδだけ傾くと、その出射光線もδだけ傾
き、結果的に結像面、すなわち固体撮像素子１４
の受光面上では次の(1)式で表される距離ｄ ｄ＝ｆ tanδ …(1) だけ像の移動が生ずることになる。ここで、ｆは
撮像レンズから固体撮像素子までの像距離を示
し、被写体からレンズまでの物体距離が無限遠の
場合には撮像レンズの焦点距離に等しくなる。

ところで、上述した従来公知の空間絵素ずらし
手法では第３図に示す光軸偏向手段１２として光
軸に対して傾けて配置された球面ガラスあるいは
１個のクサビ形プリズムを利用し、これを光軸ま
わりに回転させることで光軸偏向作用を得ていた
ので、その光軸偏向に伴う結像面上での像移動の
軌跡は円形となる。従つて、例えば、水平方向で
の解像度を向上させることを目的とする場合に
は、円形走査の軌跡中１点しか利用できない。さ
らに従来方式の決定的な欠点としては、(1)式でも
明らかなように、光軸偏向手段としての像の移動
量は像距離ｆ換言すれば物体距離に応じて変化す
ることになるが、一方、固体撮像カメラにおい
て、用いられる固体撮像素子が決められると、適
正な像の移動量はその受光面構造から決定される
ので、結果的に上述した形態のものでは例えばオ
ペーク送像装置など特定の物体距離のもとでしか
利用できないことがある。従つて、上述のものは
例えば物体距離が種々変化する通常のテレビジヨ
ンカメラなどには適用できないものであつた。

（発明の目的） 以上の技術的背景に鑑み、本発明の目的は、像
の移動方向を一定（例えば水平方向）に保ちつ
つ、しかも物体距離が変化しても常に一定の像の
移動量が維持できるような光軸偏向手段を使用
し、空間絵素ずらしの手法により高解像度な撮像
出力信号を得ることにある。

（発明の構成） 本発明の構成は、特許請求の範囲に記載したよ
うに、頂角のほぼ等しい２個のクサビ形プリズム
からなる光軸偏向手段を撮像光軸上に備えて、高
解像度な撮像出力信号が得られるような固体撮像
カメラとしたことを特徴とするものである。

次に、本発明の主要部をなす光軸偏向手段につ
いて説明する。

２個のクサビ形プリズムは、固体撮像カメラの
撮像光軸上にあつて、かつその光軸を中心にして
互いに逆方向に等量回転するように構成されてい
る。すなわち、頂角の等しい２個のクサビ形プリ
ズムを、光軸を中心に互いに逆方向に回転させる
ことにより所定の像の移動方向（一般には水平方
向）でのみ頂角可変プリズムとして作用させ、ま
た、その回転を固体撮像カメラのフオーカス位置
情報や使用ズームレンズのズーム倍率情報、もし
くはそれら両情報により制御することにより、物
体距離の変化にもかかわらず、常に一定量の像の
移動を行うことが可能となる。従つて、上記光軸
偏向手段を使用することにより、固体撮像カメラ
の水平走査方向における撮像出力信号の解像度を
有効に高めることができる。

第４図ａ，ｂ，ｃは光軸偏向手段の動作原理説
明図である。クサビ形プリズム２０Ａ，２０Ｂは
それぞれ頂角θであり、光軸Ｏに介挿されてい
る。第４図ａの位置ではそれぞれのプリズムの頂
角が相殺され光軸偏向は生じない。第４図ｂの位
置ではプリズム２０Ａが光軸を中心として反時計
方向に、またプリズム２０ｂが時計方向にともに
角度ψ回転した状態でこれら両プリズムの合成さ
れた頂角は水平方向でのみ変化しており、それに
応じて光軸Ｏは水平方向に角度δだけ偏向するこ
とになる。また、第４図ｃの位置で最大の偏向角
δmaxが得られ、この最大偏向角δmaxは δmax＝2θ（ｎ−１） …(2) で表される。但しｎはプリズムの屈折率である。
なお第４図ｂにおいて両プリズムが回転してゆく
過程での水平方向の偏向角δは、それぞれのプリ
ズムの回転角を｜ψ｜（プリズム２０Ａがψプリ
ズム２０Ｂは−ψとすると δ＝θ sinψ …(3) と表すことができる。

従つて、像の移動量を表す前述の(1)式は ｄ＝ｆ tan（θ sinψ） …(3) となり、ここにθはプリズムの頂角で一定である
から、回転角ψを像距離ｆ（これは物体距離に一
義的に対応する）の変化に応じて制御すれば、像
の移動量ｄを一定に保つことが可能となる。この
ことを利用して、(3)式における像の移動量ｄが一
定となるように、物体距離に応じてプリズム回転
角ψを手動もしくは自動的に調整することによ
り、本発明の目的、すなわち、撮像出力信号の高
解像度化が達成できる。

第５図はクサビ形プリズム２０Ａ，２０Ｂを光
軸を中心に互いに逆方向に等角度回転させるため
の駆動系の一例で、モータＭギヤトレイン３０に
よりクサビ形プリズム２０Ａ，２０Ｂの周辺に固
定されたギヤが回転される。

（実施例の説明） 第６図は、本発明固体撮像カメラの全体系を示
すシステムブロツク図であり、４０は光軸偏向手
段、４２は撮像レンズ、４４は固体撮像素子を示
す。また５０は固体撮像素子４４からの出力を適
宜増幅・成形する映像プロセスアンプ、５２は
Ａ／Ｄコンバータ、５４は画像メモリとしてのフ
レームメモリ、５６はＤ／Ａコンバータで、ここ
から高解像度の映像出力信号が得られる。６０は
各回路に供給すべきクロツクパルスやテレビジヨ
ン同期信号を発生する同期信号発生部、６２はフ
レームメモリ駆動回路、また６４は固体撮像素子
駆動回路である。７０はシステム制御部７２は、
撮像レンズ距離設定検出部、７４は光軸偏向手段
の駆動および偏向角検出部である。

次に、上記構成からなる本発明固体撮像カメラ
の動作について説明する。

光軸偏向手段の駆動および偏向角検出部７４
は、第５図に示すモータＭを回転させるサーボ系
を構成しており、システム制御部７０から(1)４０
のクサビ形プリズムが第４図ａの位置（以下この
位置をＡポジシヨンという）に停止するのか第４
図ｂの位置（以下この位置をＢポジシヨンとい
う）に停止するのかの情報、および(2)Ａポジシヨ
ンからＢポジシヨンまでの回転角度ψoをいくら
に設定するかの２種類の情報を受ける。このよう
なシステム制御部７０から供給される２種類の情
報により光軸偏向手段の駆動および偏向角検出部
７４はモータＭを回転しクサビ形プリズムをＡ、
またはＢポジシヨンの位置に停止する。モータＭ
が回転するのに一定の時間を必要とするが、この
モータＭが回転している途中段階であることを知
らせる情報を駆動および偏向角検出部７４はシス
テム制御部７０に送つている。

撮像レンズ距離設定検出部７２は、撮像レンズ
４２のズーム倍率情報（ズームレンズの場合）と
フオーカス位置の情報を電気信号に変換し、シス
テム制御部７０に送る機能を有しているものであ
る。

一般に、テレビジヨンカメラにおいて、撮像レ
ンズ４２をズームレンズとした場合、ズーム倍率
とフオーカス位置は、被写体を撮像するカメラマ
ンの意図により固定される。これらズーム倍率情
報とフオーカス位置情報の電気信号は、レンズ距
離設定検出部７２次体もしくはシステム制御扮部
７０に送られ、前述した原理に基づき光軸偏向手
段４０の回転位置ψoを計算する。この計算は、
前述の(3)式に基づいて行われ、ズーム倍率、フオ
ーカス位置はそれぞれ(3)式中の像の移動量ｄおよ
び像距離ｆに関係しているから、それらの具体的
数値を撮像レンズ距離設定検出部７２で取り込む
ことにより、像の移動量ｄを一定にするために必
要なクサビ形プリズムの回転角ψoを求めること
ができる。すなわち、撮像レンズから被写体まで
の物体距離に関連して像距離が定まり、さらに、
このとき固体撮像素子面で、受光素子Ｐ相互間の
画素間隔の1/2だけ像移動を行なうための必要な
回転角ψoが計算から求まる。

この回転角ψoを求める計算を行なう機能は、
上述したようにレンズ距離設定検出部７２または
システム制御部７０のいずれかにあればよく、計
算結果としての回転角ψoの情報はシステム制御
部７０から光軸偏向手段の駆動および偏向角検出
部７４に送られる。

画像メモリとしてのフレームメモリ５４は２回
にわたる撮像出力信号を合成するためのものであ
るが、フレームメモリ５４のデータは、フレーム
メモリ駆動回路６２により駆動されて記録された
画像データをテレビジヨン信号としてＤ／Ａコン
バータ５６に送り、そのＤ／Ａコンバータ５６の
出力が本発明固体撮像カメラの系としての出力と
なつているが、理解を助けるためにＤ／Ａコンバ
ータ５６の出力信号をモニタに映出したときの画
面位置とフレームメモリ内部のデータとの対応を
第７図に示す。

フレームメモリ内部の１個のデータ位置が、画
面上では、１個の〇または×の点となつて示され
ており、メモリデータの内容は撮像素子の出力と
関係しており画面の明暗が決まつている。また、
撮像素子内においては〇と×の位置関係は、これ
らが前述の(1)および(3)式の像の移動量ｄに相当す
る距離だけ離れていることは言うまでもない。

このフレームメモリにおいて、〇印の位置にあ
るデータは、例えばクサビ形プリズムがＡポジシ
ヨンにあるときの画像を記録している。また、×
印の位置にあるデータはＢポジシヨンの画像を記
録したデータである。フレームメモリから信号を
読み出すときは、〇×〇×…の順読み出しを行な
う。なお、撮像信号の記録に関しては、Ａ／Ｄコ
ンバータ５２から供給される画像データ（デイジ
タル量）を〇印位置に相当するところに記録する
か×位置に相当するところに記録するかは、シス
テム制御部７０からの信号により制御されるが、
システム制御７０には、クサビ形プリズムが、Ａ
のポジシヨンにするか、Ｂのポジシヨンにするか
を指令している情報があり、これによつてフレー
ムメモリ５４にも指令を出せばよい。なお、フレ
ームメモリの水平方向の１ラインにあるデータ数
は、固体撮像素子の水平画素数をＮとして、１絵
素を１個のデータとしてデイジタル化した場合に
は、2N個となり、１回目の書き込みにより〇印
の部分のＮ個のデータを、２回目の書き込みのと
きに×印のＮ個のデータをそれぞれ記録するよう
にする。

次に、第６図のシステムを制御してＤ／Ａコン
バータ５６の出力映像信号として、水平解像度を
２倍にした映像信号を得るまでの手順を第８図に
より説明する。

カメラマンがズームレンズのズーム倍率、フオ
ーカス位置を決定すれば、この情報からシステム
制御部７０は、光軸偏向手段４０の必要な回転角
ψoを計算して駆動および検出部７４に出力する。
これにより駆動および検出部７４が動作を開始し
モータＭが回転してＡ、又はＢのポジシヨンにモ
ータが停止する。これは、どちらのポジシヨンで
もよく、例えばモータの回転角度の少ない方を選
べばよい。

ＡポジシヨンとＢポジシヨンのいずれにモータ
Ｍが停止したかによつて、２つのケースに分かれ
て２度の記録を行なうことになるが、この場合の
途中の経緯は図示のとおりである。２つのケース
に分かれたのは、モータが大きく回転する必要が
あるのは※印の個所を１個だけ通るように工夫を
したためであり、もし、スタートを必ずＡポジシ
ヨンとしたとすれば、くりかえして記録するとき
１回の記録で必ず２回モータを回転させる必要を
生じ、これは時間的にも不利なことである。

本発明は上述した例にのみ限られるものでな
く、各種変形して実施してもよい。例えば、上述
例では、撮像レンズをズームレンズとし、またフ
レームメモリを使用するものとしたが、いわゆる
ズームレンズでない固有の焦点距離をもつレンズ
の場合は、(3)式における像距離ｆに相当するフオ
ーカス位置情報のみを用いてクサビ形プリズムの
回転角を制御すればよい。また、フレームメモリ
は他の画像メモリ、例えばフイールドメモリやラ
インメモリに変更してもよく、要は、本発明の特
許請求の範囲を逸脱しないように実施することで
本発明の目的を十分達成することができる。

また、本発明で使用する光軸偏向手段は固体撮
像素子受光面における像の移動方向が一定である
ので像の移動量は２個の位置（例えばＡポジシヨ
ンとＢポジシヨン）のみに限定されず、さらに増
し、空間絵素ずらしを複数回行い、解像度を一層
高めることもできる。また、第４図ａ〜ｃ間すな
わちクサビ形プリズムが90゜回転される間に１セ
ツトの画像信号の記録がなされるとすればクサビ
形プリズムの回転位相に応じてフレームメモリ内
での画像信号の合成を考慮することにより、クサ
ビ形プリズムの360゜回転中に４セツト分の画像信
号の記録すなわち４画面分撮像することも原理的
に可能となる。

さらにクサビ形プリズムを回転駆動するモータ
をパルスモータにすればプリズム回転位置検出は
モータ駆動パルスを計数することで得られプリズ
ムまわりにその位置検出部材を別に設ける必要が
なくなる。

（発明による効果） 以上説明したように本発明によれば、光軸を中
心にして互いに逆方向に等量回転するようにした
頂角がほぼ等しい２個のクサビ形プリズムを光軸
偏向手段として使用し、空間絵素ずらしの手法を
実現しているため、通常のテレビジヨンカメラや
スチールカメラのように、物体距離が任意の値を
とりうるカメラに対し、空間絵素ずらし法によつ
て解像度を十分に改善することができる。

また、撮像レンズにズームレンズを使用した場
合、従来の空間絵素ずらし方は適用できず、従つ
てその効果も期待できなかつたが、本発明によれ
ば、第６図に実施例で示したように、ズーム倍率
情報によつてクサビ形プリズムの回転角を制御す
ることで固有の焦点を有する撮像レンズの場合と
同様に何らの困難なく撮像出力信号の解像度を高
めることができる。

以上においては、本発明による解像度向上が期
待できるカメラは、静止している被写体を撮像す
る、いわゆる静止画用カメラに限つて説明した
が、クサビ形プリズムの回転速度を速くし、シヤ
ツター速度も高速シヤツターが許されるものとす
れば、きわめて短時間の間に２回の撮像を行うこ
とで若干の動きに対しても十分に解像度の高い撮
像出力信号を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は固体撮像素子の受光面の構造図、第２
図は空間絵素ずらしの手法の説明図、第３図は同
じく空間絵素ずらしの手法実現のための原理的構
成図、第４図ａ，ｂ，ｃは本発明固体撮像カメラ
に使用する光軸偏向手段の原理説明図、第５図は
クサビ形プリズムを回転させるための駆動系の一
例を示す構造図、第６図は本発明固体撮像カメラ
の全体系を示すブロツク線図、第７図はフレーム
メモリ内のデータ配列を示す説明図、第８図は本
発明により解像度を２倍にした映像信号を得るた
めの手順を示すフローチヤートである。 １０…撮像レンズ、１２…光軸偏向手段、１４
…固体撮像素子、１６…フレームメモリ、２０
Ａ，２０Ｂ…クサビ形プリズム、３０…ギヤトレ
イン、４０…光軸偏向手段、４２…撮像レンズ、
４４…固体撮像素子、５０…映像プロセスアン
プ、５２…Ａ／Ｄコンバータ、５４…フレームメ
モリ、５６…Ｄ／Ａコンバータ、６０…同期信号
発生部、６２…フレームメモリ駆動回路、６４…
固体撮像素子駆動回路、７０…システム制御部、
７２…撮像レンズ距離設定検出部、７４…光軸偏
向手段の駆動および偏向角検出部、Ｓ…受光面、
Ｐ…受光素子、Ｑ…光不感領域、Ｏ…レンズ光
軸、δ…偏向角、θ…クサビ形プリズム頂角、ψ
…同プリズム回転角、Ｍ…モータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 撮像光学系の光軸上に、この光軸を中心とし
   て互いに逆方向に等量回転するように設けられた
   頂角のほぼ等しい２個のクサビ形プリズムを備
   え、これらのプリズムの複数の回転位置において
   撮像して得られた撮像出力信号を合成して、高解
   像度画像信号を得るようにしたことを特徴とする
   固体撮像カメラ。 ２ 前記２個のクサビ形プリズムの回転を、固体
   撮像カメラからのフオーカス位置情報により制御
   するようにしたことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の固体撮像カメラ。 ３ 前記２個のクサビ形プリズムの回転を、固体
   撮像カメラからのフオーカス位置情報およびズー
   ム倍率情報により制御するようにしたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の固体撮像カメ
   ラ。