JP2013143753A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広いズーム範囲にわたって撮影範囲のシフトを低減できる撮像措置を提供すること。
【解決手段】異なる焦点距離を有する複数の光学系と、光学系により被写体を撮像する撮像素子と、複数の光学系の少なくとも一つの光学系による出力画像の画角を変化させるズーム制御部と、を有し、変化する画角の一部が、他の光学系の画角と同じであり、さらに、ズーム時にシフトした表示画像の中心位置を、画角の一部が同じである他の光学系の光軸中心に向かって変化させる制御部を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像装置に関するものである。

小型情報端末機に搭載される光学系は、小型、特に薄型であることが要求されている。また、レンズを交換することなく、広いズーム範囲も要求されている。
このため、複数の光学系を有し、ズームを行うことで、広いズーム範囲でも、撮影範囲における画素数の低下を防いで、小型化を図っている構成が提案されている。さらに、複数の光学系を円滑に切り替えできるように、ズームにより異なる光学系間で画角の重複を持たせるなどの対策がなされている。

例えば、以下の特許文献１においては、２つの固定焦点の光学系を電子ズームにより一連のズームのようにしている。そして、トリミングで画質劣化を抑制している。
また、例えば、特許文献２では、光学ズームと電子ズームとを併用し、ズームインとズームアウトで光学系の切り替えポイントを変え、光学系の切り替え回数を低減する構成が提案されている。
さらに、例えば、以下の特許文献３では、光学ズームと電子ズームとの切り替えにおいて、固定焦点距離レンズの焦点距離とズームレンズの最小焦点距離との間の焦点距離ギャップを、固定焦点距離レンズで得られたデジタル画像の電子ズームで補間している。

特許第４３４８２６１号公報 特許第４５７３７２４号公報 特許第４６２４２４５号公報

複数の光学系を有する装置では、各光学系の光軸が一致していない。このため、光学系の切り替え時に撮影範囲が大きくシフトしてしまう。この結果、使用者に不自然な印象を与えてしまう。また、撮影範囲のシフトに起因して、撮影範囲内に存在していた被写体が、突然撮影範囲外に移動してしまい、使用者が被写体を見失う可能性がある。特に望遠端側では撮影範囲が狭いので、撮影範囲のシフトによる被写体を見失う影響が大きい。

特許文献１、２、３のいずれの文献も、複数の光学系の切り替えがスムーズになるように画角の変化を抑制している構成のみ開示している。このため、光学系を切り替えたときに生ずる撮影範囲のシフトに関しては一切対応していない。

換言すると、従来の構成において、光学系を切り替えながら、撮影範囲を大きくする、または撮影範囲を小さくすると、円滑な連続した撮影範囲の変化が起きず、撮影範囲が突然シフト（画像の飛び）してしまうという課題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、広いズーム範囲にわたって撮影範囲のシフトを低減できる撮像装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の撮像装置は、
異なる焦点距離を有する複数の光学系と、
光学系により被写体を撮像する撮像素子と、
複数の光学系の少なくとも一つの光学系による出力画像の画角を変化させるズーム制御部と、を有し、
変化する画角の一部が、他の光学系の画角と同じであり、
さらに、
ズーム時の表示画像の中心位置を、画角の一部が同じである他の光学系の光軸中心（光学中心）に向かって変化させる制御部を有することを特徴とする。

本発明によれば、撮像範囲のシフトを防止できる撮像装置を提供できるという効果を奏する。

本発明の実施形態に係る撮像装置の機能ブロックを示す図である。 （ａ）は撮像装置を携帯電話に適用したときの正面図、（ｂ）は携帯電話の裏面図、（ｃ）はその側面図である。 実施形態に係る撮像装置における複数の光学系の配置と、その撮影範囲を示す図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、撮影範囲と表示画像との関係を説明する図である。 撮像装置の光学系の断面構成図である。 光学ズームを行う撮像装置の光学系の断面構成図である。 撮影の手順を示すフローチャートである。 異なる焦点距離を有する複数の光学系のレイアウトの例を正面から見た図である。 （ａ）、（ｂ）は、撮影範囲の例を示す図である。 ズーミングと撮影範囲を示す図である。 撮影範囲の変化を示す図である。 撮影範囲を補完する例を説明する図である。 光学系の焦点距離とボケ量との関係を示す図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、光学系と撮像素子との関係のバリエーションを示す図である。 光学ズームを行う撮像装置の他の光学系の断面構成図である。

本実施形態の撮像装置の構成による作用効果を説明する。なお、この実施形態によって本発明は限定されるものではない。すなわち、実施形態の説明に当たって、例示のために特定の詳細な内容が多く含まれるが、これらの詳細な内容に色々なバリエーションや変更を加えても、本発明の範囲を超えない。従って、以下で説明する本発明の例示的な実施形態は、権利請求された発明に対して、一般性を失わせることなく、また、何ら限定をすることもなく、述べられたものである。

図１は、実施形態に係る撮像装置１００の機能ブロックを示す図である。撮像装置１００の機能の詳細は後述する。
図２（ａ）は、撮像装置の例である携帯電話２００を正面から見た図、図２（ｂ）は、携帯電話２００を裏面から見た図、図２（ｃ）は、側面図である。

図２（ａ）において、表示部２０１は、後述する光学系で撮像した画像を表示する。図２（ｂ）において、携帯電話２００は、異なる焦点距離を有する複数、本例では４つの光学系２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄを有している。なお、携帯電話２００は、ＰＨＳ、スマートフォン、ＰＤＡ等の携帯情報処理装置であってもよい。

図３は、複数（ｎ＝４）の光学系Ｌｆ１、Ｌｆ２、Ｌｆ３、Ｌｆ４の配置と、その撮影範囲を示す図である。図３は、使用者が撮像素子Ｉ（１０２）側から被写体を撮影する方向を見た図とする。
例えば、４つの光学系Ｌｆ１、Ｌｆ２、Ｌｆ３、Ｌｆ４は、図２に示す４つの光学系２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄに対応する。

光学系Ｌｆ１は、焦点距離ｆ_１を有する。光学系Ｌｆ２は、焦点距離ｆ_２を有する。光学系Ｌｆ３は、焦点距離ｆ_３を有する。光学系Ｌｆ４は、焦点距離ｆ_４を有する。
また、焦点距離の長さは、以下の関係を有している。
ｆ_１＜ｆ_２＜ｆ_３＜ｆ_４

Ａｆ１は、光学系Ｌｆｌの撮影範囲である。Ａｆ２は、光学系Ｌｆ２の撮影範囲である。Ａｆ３は、光学系Ｌｆ３の撮影範囲である。Ａｆ４は、光学系Ｌｆ４の撮影範囲である。

図３から明らかなように、光学系の焦点距離がｆ_１からｆ_４へ長くなるにしたがって、撮影範囲はＡｆ１からＡｆ４へと狭くなる。

次に、実施形態における「画角」について説明する。まず、図４（ａ）は、一般的な画角の定義を説明する図である。
図４（ａ）において、表示範囲Ａ１（対角）の直径（入射窓の大きさ）が光学系Ｌの入射瞳ＥＮＰの中心に対して張る角度２ωを画角という。また、図４（ａ）において、光学系Ｌは、光軸ＡＸを有する。撮像素子Ｉは、被写体像を撮像する。

次に、図４（ｂ）に示すように、表示範囲Ａ２（対角）は、光軸ＡＸより変化した位置に中心軸ＡＸ２を有する。そして、図４（ｃ）に示すように、表示範囲Ａ２の中心軸ＡＸ２を図中下方に変化させて、中心軸ＡＸ２と入射瞳ＥＮＰの中心（光軸ＡＸと交点）とを疑似的に一致させる。このとき、表示範囲Ａ１（対角）の直径（入射窓の大きさ）が光学系Ｌの入射瞳ＥＮＰの中心に対して張る角度２ω’も本実施形態では「画角」という。
なお、「撮影範囲」とは、撮像装置が撮影した範囲をいう。「表示範囲」とは、電子ズームの場合は撮影範囲から切り取って、表示する範囲をいい、光学ズームの場合は撮影範囲と同じ範囲をいう。
さらに、「シフト」とは、範囲の移動をいう。「変化」とは、軸または位置の変化をいう。

図５は、４つの光学系のうち、光学系Ｌｆ２、Ｌｆ３を図３の下側からｙ方向を見た断面構成図である。ここで、上述したように、光学系Ｌｆ２の焦点距離ｆ_２よりも、光学系Ｌｆ３の焦点距離ｆ_３のほうが長い構成である。

このため、被写体ＯＢＪに対する光学系Ｌｆ２による撮影範囲Ａｆ２に対し、光学系Ｌｆ３による撮影範囲Ａｆ３は狭くなっている。
光学系Ｌｆ２、Ｌｆ３による被写体ＯＢＪのそれぞれ像は、撮像素子Ｉの撮像面に結像している。

図１を参照して、本撮像装置１００の基本的な構成、動作を説明する。
ズーム制御部１０６は、複数の光学系Ｌｆ１、Ｌｆ２、Ｌｆ３、Ｌｆ４の少なくとも一つの光学系による出力画像の画角を変化させる。画角の変化は、光学ズーム、または電子ズーム、または光学ズームと電子ズームとの組み合わせにより行う。
ここで、複数の光学系Ｌｆ１、Ｌｆ２、Ｌｆ３、Ｌｆ４のうちのいずれか一つの光学系の変化する画角の一部は、他の光学系の画角と同じである。なお、画角の一部が同じとは、画角の一部が略同じ場合も含むものとする。

制御部１０５は、ズーム時に変化した表示範囲の中心位置を、画角の一部が同じである他の光学系の光軸中心（光学中心）に向かって変化させる。この際、表示範囲の中心位置を変化させる速度は、ズーム変化量に応じて変化させることが望ましい。

例えば、上述したように、撮像装置１００は、ｎ個（本実施形態ではｎ＝４）の光学系を有している。そして、焦点距離ｆ_１は、最も広角の焦点距離を有する光学系である。焦点距離ｆ_４は、最も望遠の焦点距離を有する光学系である。

ズーム時には、表示範囲の中心位置が変化してゆく。このため、従来技術のように、単に光学系を切り替えると、使用者が観察している撮影範囲が突然シフトしてしまうという問題が生ずる。この問題の具体例としては、例えば、ある被写体に着目してズームインしてゆく際に、光学系を切り替えると、その被写体が撮影範囲から外れてしまう、という状態が生ずることである。

本実施形態では、制御部１０５が、ズーム時に変化した表示範囲の中心位置を、画角の一部が同じである他の光学系の光軸中心に向かって変化させる。

具体的には、焦点距離ｆ_ｍは、ｍ番目に短い焦点距離を示している。ズームインのときは、焦点距離ｆ_１、ｆ_２〜焦点距離ｆ_ｎの順で、各光学系のズーム量が最大になったとき、もしくは画角が他の光学系の画角と同じになったときに光学系が切り替わる。

これに対して、ズームアウトのときは、焦点距離ｆ_ｎ、ｆ_ｎ−１〜ｆ_１の順で光学系が切り替わる。
ズーム動作中のときに表示範囲の中心が変化する。ここで、ズームイン、ズームアウトには、電子ズーム、光学ズームのいずれも含む。使用者の選択に応じて、ズーム制御部１０６が、これらのズーム制御を行う。

電子ズームは、撮像素子Ｉが撮像した画像の画像データを電気的に処理して画像の拡大を行うものである。
光学ズームは、例えば、図６に示すように、焦点距離の異なる複数のレンズＬｆ２、Ｌｆ３を用いて、撮像素子Ｉへ結像させる光学系を用いることができる。さらに、光学ズームは、図１５に示すように、焦点距離の異なるレンズＬｆ１、Ｌｆｚを用いて、撮像素子Ｉへ結像させる光学系とすることもできる。

本実施形態では、複数の光学系を有しながら、表示画像の中心位置を変化させることで、光学系を切り替えた時の撮影範囲のシフトの量を抑制できるという効果を奏する。

図３を参照して、さらに説明を続ける。まず、従来の問題について述べる。光学系Ｌｆ２からズームインして光学系Ｌｆ３に切り替える時に、表示範囲Ａｆ２の中心を変化しない場合、光学系Ｌｆ２を用いてズームインしてゆくと、光学系Ｌｆ３の焦点距離ｆ３と同じ画角になり、光学系Ｌｆ２の表示範囲は、光学系Ｌｆ３の表示範囲Ａｆ３と同じ大きさになる（画角は同じであるが、撮影範囲は異なる）。

ここで、光学系Ｌｆ２、Ｌｆ３の画角が同じになるので、従来技術のように、光学系を光学系Ｌｆ２から光学系Ｌｆ３へ切り替えると、撮影範囲が変化してしまう。このとき、光学系Ｌｆ２による撮影範囲に存在していた被写体の一部は、光学系Ｌｆ３による撮影範囲では枠外になってしまい、使用者は被写体を見失ってしまう可能性がある。

次に、本実施形態について、説明する。本実施形態では、ズーム動作に応じて、表示範囲の中心を変化させる。
光学系Ｌｆ２を用いてズームインすると表示範囲Ａｆ２は、徐々に小さくなりながら、光学系Ｌｆ３の光軸中心の方向へシフトする。そして、光学系Ｌｆ２の画角が光学系Ｌｆ３の画角と同じになったとき、表示範囲Ａｆ２は光学系Ｌｆ３の表示範囲Ａｆ３と重複する状態になっている。

このように、本実施形態では、ズームインする過程において、撮影範囲のシフトを容易に認識でき、例えば、使用者が特定の被写体に注目していた場合、その特定の被写体の位置を見失うことがなく、撮影操作の修正が不要となる。

光学系Ｌｆ２をさらにズームインして、光学系Ｌｆ３と同じ画角になったときの表示範囲の中心は、光学系Ｌｆ３の表示範囲Ａｆ３の中心と同じになる。この結果、本実施形態では、光学系Ｌｆ２を光学系Ｌｆ３に切り替えても、表示範囲は変化しない、という効果を奏する。

（撮影手順）
上述の撮影手順を図７のフローチャートを用いて説明する。
まず、使用者は撮影を開始する。ステップＳ３０１において、画像生成部１０３は、画像信号に基づいて、表示画像を生成する。
表示画像の生成には、表示画像中心移動、画像合成が含まれる。

ステップＳ３０２において、画像表示部１０４は、表示画像を表示する。ステップＳ３０３において、制御部１０５は、使用者がズーム変化を行ったか否かを判断する。ステップＳ３０３の結果が偽（Ｎｏ）の場合、ステップＳ３０７においてレリーズが押されたか否かが判断される。

ステップＳ３０７の判断結果が真（Ｙｅｓ）の場合、ステップＳ３０８により、画像の取り込みが行われ、フローチャートは終了する。このとき、表示範囲を画像データとして取り込むことも可能である。

ステップＳ３０７の判断結果が偽（Ｎｏ）の場合、ステップＳ３０３を繰り返す。
ステップＳ３０３において、ズーム変化があると判断された場合は、ステップＳ３０４へ進む。ステップＳ３０４において、ズーム倍率が所定の閾値になったか否か、すなわち拡大ズームか縮小ズームかが判断される。

ステップＳ３０４の判断結果が偽（Ｎｏ）の場合、ステップＳ３０１へ戻る。

ステップＳ３０４の判断結果が真（Ｙｅｓ）の場合、ズームが拡大方向の場合、ズーム倍率が最大＝閾値になったとき、光学系切り替え部１０７は、ステップＳ３０５において光学系を次に長い焦点距離の光学系に変更し、ズーム倍率を１に変更する。
これに対して、ズームが縮小方向の場合、ズーム倍率が１倍＝閾値になったとき、光学系切り替え部１０７は、ステップＳ３０５において光学系を次に短い焦点距離の光学系に変更し、ズーム倍率を最大ズーム倍率に変更する。
なお、光学系の切り替えは、手動でも自動でも良い。

ステップＳ３０６において、ズーム制御部１０６は、上述の判断結果に従って、ズーム倍率の変更を行い、ステップＳ３０１へ戻る。

また、複数の光学系は、ｎ個の光学系からなり、
ｍ番目に短い焦点距離を有する光学系の焦点距離をｆ_ｍ（ｍ＝１〜ｎ；ｍ、ｎは整数）とする。

さらに、
焦点距離ｆ_１を広角端における焦点距離とし、
焦点距離ｆ_ｎを望遠端における焦点距離とそれぞれしたとき、
焦点距離ｆ_ｍを有する光学系は固定焦点であってもよい。
ズーム制御部１０６は、電子ズームによりズーミングを行うことが望ましい。

電子ズームをおこなうことにより、光学ズームによるレンズの移動が不要となる。このため、撮像装置の小型化を図ることができる。さらに、機械的な駆動機構なども簡略化できる。さらに、駆動音がでないので静かにズーム可能であり、かつ電気的処理を行うので動きがスムーズであるという効果を奏する。

ここで、複数の光学系の配置のバリエーションに関して説明する。図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ），（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）は、それぞれ、３つまたは４つの光学系Ｌｆ１、Ｌｆ２、Ｌｆ３、Ｌｆ４の配置を正面から見た図である。
図において、理解しやすいように、焦点距離が短くなる（広角な光学系になる）にしたがい、円形レンズの直径を大きく図示している。

図９（ａ）は、３つの光学系Ｌｆ１、Ｌｆ２、Ｌｆ３の、それぞれの撮影範囲Ａｆ１、Ａｆ２、Ａｆ３を示している。
図９（ｂ）は、４つの光学系Ｌｆ１、Ｌｆ２、Ｌｆ３、Ｌｆ４の、それぞれの撮影範囲Ａｆ１、Ａｆ２、Ａｆ３、Ａｆ４を示している。

また、本実施形態では、以下の構成とすることが望ましい。
図１０を適宜参照して説明する。
焦点距離ｆ_ｍを有する光学系と焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系との間でズームする時、焦点距離ｆ_ｍを有する光学系の光軸中心からの表示範囲の中心の水平方向の変化量、垂直方向の変化量はそれぞれ、以下の条件式（１）、（２）を満足することが好ましい。
ｘ_{ｍ、ｍ−１}＝ｄｘ_{ｍ，ｍ−１}×Ｂ_{ｍ，ｍ−１}/(Ｂ_{ｍ，ｍ−１}−Ｂ_ｍ−１) （１）
ｙ_{ｍ，ｍ−１}＝ｄｙ_{ｍ，ｍ−１}×Ｂ_{ｍ，ｍ−１}/(Ｂ_{ｍ，ｍ−１}−Ｂ_ｍ−１) （２）
ここで、
ｄｘ_{ｍ、ｍ−１}は、焦点距離ｆ_ｍを有する光学系の光軸中心と、焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系の光軸中心との水平方向の距離、
ｄｙ_{ｍ、ｍ−１}は、焦点距離ｆ_ｍを有する光学系の光軸中心と、焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系の光軸中心との垂直方向の距離、
Ｂ_ｍ−１は、焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系の撮影時のズーム倍率、
Ｂ_{ｍ，ｍ−１}＝ｆ_ｍ/ｆ_ｍ−１、
である。
また、「焦点距離ｆ_ｍを有する光学系と焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系との間でズームする時」とは、焦点距離ｆ_ｍを有する光学系をズームアウトもしくは焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系をズームインし、表示画像の中心位置を焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系もしくは焦点距離ｆ_ｍを有する光学系の光軸中心に向かって変化する時、を意味する。

条件式（１）、（２）は、表示範囲の中心の水平方向の変化量と、垂直方向の変化量とを規定している。なお、最大ズーム倍率は１．５〜２以下が好ましい。これにより、自然な画像変化を得られる。
さらに、表示範囲の中心位置を変化させる速度は、ズーム変化量に応じて変化することが好ましい。これにより、円滑で自然な倍率変化を得られる。

焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系Ｌｆ_ｍ−１をズームインし、焦点距離ｆ_ｍを有する光学系Ｌｆ_ｍと同じ画角になったとき、焦点距離ｆ_ｍを有する光学系Ｌｆ_ｍに切り替える場合を考える。

焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系Ｌｆ_ｍ−１によりズーム倍率Ｂ＝１のとき、最も大きな実線で示す撮影範囲で被写体を撮像できる。この状態から、ズームインしてゆき、焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系Ｌｆ_ｍ−１によりズーム倍率Ｂ＝１．５のとき、表示範囲は破線で示す大きさに小さくなる。

さらに、焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系Ｌｆ_ｍ−１によりズームインを行い、ズーム倍率Ｂ＝２になる。このとき、焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系Ｌｆ_ｍ−１をズームインし、焦点距離ｆ_ｍを有する光学系Ｌｆ_ｍと同じ画角になったとき、焦点距離ｆ_ｍを有する光学系Ｌｆ_ｍに切り替える。

焦点距離ｆ_ｍを有する光学系Ｌｆ_ｍは、点線で示す撮影範囲を有している。焦点距離ｆ_ｍ−１のズーム時表示画像の中心が矢印の方向に変化する。

画角の変化を、擬似的に焦点距離として換算した観点からさらに説明を続ける。
光学系Ｌｆ_ｍ−１のズーム最大倍率Ｂ_ｍ−１ｍａｘ＝２．５とする。上述したように、光学系Ｌｆ_ｍ−１のズーム倍率Ｂ_ｍ−１＝２において、焦点距離ｆ_ｍ−１と焦点距離ｆ_ｍは一致する。そして、以下の表１に示すように２＜Ｂ_ｍ−１では、両光学系の画角に重なりが生じる。

（表１）
ｆ_ｍ−１のズーム倍率Ｂ_ｍ−１ １倍の時 ２倍の時 ２．５倍の時
ｆ_ｍ−１＝２５ｍｍ ２５ｍｍ ５０ｍｍ ６２．５ｍｍ
ｆ_ｍ ＝５０ｍｍ ５０ｍｍ

ズーム倍率を変化させた場合でも、光学系Ｌｆ_ｍと、Ｌｆ_ｍ−１との光軸同士の間隔は変わらない。このため、上述したように、ズーム倍率最大ではなく、ｆ_ｍ/ｆ_ｍ−１を用いて、表示範囲の中心の水平方向の変化量と、垂直方向の変化量とを規定することが望ましい。

条件式（１）、（２）を満足することで、ズーム変化量に応じて表示範囲の中心位置を変化させることができる。これにより、光学系の切り替え後の撮影範囲が一気にシフトしてしまうことを防止できる。

また、本実施形態では、幾何光学的に以下の条件式を満足することが好ましい。
ｄｘ_{ｍ，ｍ−１}＜Ｌ_ｍ×（Ｔａｎθｘ_ｍ−１−Ａ×Ｔａｎθｘ_ｍ） （３）
ｄｙ_{ｍ，ｍ−１}＜Ｌ_ｍ×（Ｔａｎθｙ_ｍ−１−Ａ×Ｔａｎθｙ_ｍ） （４）
Ｂ_{ｍ，ｍ−１}＝ｆ_ｍ/ｆ_ｍ−１
１０≧Ａ≧１
ここで、
ｄｘ_{ｍ、ｍ−１}は、焦点距離ｆ_ｍを有する光学系の光軸中心と、焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系の光軸中心との水平方向の距離、
ｄｙ_{ｍ、ｍ−１}は、焦点距離ｆ_ｍを有する光学系の光軸中心と、焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系の光軸中心との垂直方向の距離、
Ｂ_ｍ−１は、焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系の撮影時のズーム倍率、
θｘ_ｍ、θｘ_ｍ−１は、ｘ方向の半画角、
θｙ_ｍ、θｙ_ｍ−１は、ｙ方向の半画角、
Ａは係数、である。
なお、係数はＡ≧２が好ましい。

条件式（３）、（４）は、光学系の光軸同士の距離と、撮影可能な至近距離と撮像素子との大きさと焦点距離との関係を規定している。撮影範囲のシフト量を規制（抑制）する条件を示している。

焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系Ｌｆ_ｍ−１の撮影範囲に、焦点距離ｆ_ｍを有する光学系Ｌｆ_ｍの撮影範囲をどの程度含めるか、を規定する。例えば、１≦Ａの場合、光学系Ｌｆ_ｍ−１の撮影範囲に、光学系Ｌｆ_ｍの撮影範囲の中心まで含ませることができる。また、２≦Ａの場合、光学系Ｌｆ_ｍ−１の撮影範囲に、光学系Ｌｆ_ｍの撮影範囲を全て含ませることができる。

また、本実施形態では、２＞Ａ＞１おいて、
ズーム倍率ｍ＞１の場合の焦点距離ｆ_ｍを有する光学系の撮影範囲は、少なくとも他の光学系の撮影範囲に含まれており、
画像生成部１０３は、表示範囲の中心が変化した際の表示範囲において、選択されている光学系による撮影範囲外の画像を、選択されていない他の光学系による撮影範囲内の画像を用いて補完することが好ましい。

図１２に示すように、焦点距離ｆ_２を有する光学系Ｌｆ２でズームを行いながら、焦点距離ｆ_３を有する光学系Ｌｆ３による撮影範囲（点線で示す）の中心方向へ画像の中心を変化するとき、シフト途中の表示範囲（一点鎖線で示す）に対して、光学系Ｌｆ３による撮影範囲（点線で示す）の斜線Ｙで示す部分は撮影範囲外になる。
このとき、光学系Ｌｆ１による撮影範囲Ａｆ１内の斜線Ｙと同じ範囲の画像情報Ｙを使用して斜線Ｙの画像を生成する。周辺部における補完であるため、画像全体に対して、画質の劣化の影響を抑えつつ補完可能である。

また、画像生成部１０３は、焦点距離ｆ_ｍを有する光学系Ｌｆ_ｍの撮影画像と、焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系Ｌｆ_ｍ−１の撮影画像とを用いて表示画像を生成することがこのましい。
これにより、解像度を向上し、より自然な画像を生成することができる。

また、画像表示部１０４は、表示画像中心の移動方向を表示することが好ましい。
図１１に示すように、ズーム動作に応じて、表示範囲は変化する。この際、表示範囲の中心の移動方向を表示することで、使用者が被写体を見失うことを防止できる。これにより、さらに撮影が容易になる。

また、制御部１０５は、複数の光学系の切り替え時に、撮像画像のボケの変化が少ないＦナンバーを有する光学系へ切り替えを行い、
以下の条件式（５）、（６）を満足することが好ましい。
ＦＮＯ_ｍ−１＝ＦＮＯ_ｍ/((ｆ_ｍ/ｆ_ｍ−１)^２) （５）
ｆ_ｍ＞ｆ_ｍ−１ （６）
ここで、
ＦＮＯ_ｍ−１は、焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系Ｌｆ_ｍ−１のＦナンバー、
ＦＮＯ_ｍは、焦点距離ｆ_ｍを有する光学系Ｌｆ_ｍのＦナンバー、
である。

光学系を切り替えることで、図１３に示すように焦点距離に応じて被写界深度が変化する。条件式（５）、（６）を満足することで、光学系の切り替え時のボケ量の変化を低減できる。なお、ボケ量は、点光源を撮影したときの、撮像素子上での点光源の像の拡がりに基づいて判断する。

また、制御部１０５は、焦点距離に応じて各光学系に対する撮像面のサイズを変える（広角は大きくし、望遠は小さくする）ことが好ましい。
これにより、効率的な撮影が可能となる。また、図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、
光学系同士の光軸を近づけることで小型化も可能となる。
例えば、制御部１０５は、各光学系の焦点距離が広角側のときに比較して望遠側のときは、撮像面のサイズを小さくすることが好ましい。なお、撮像素子は光学系１つに対して１つ、もしくは全光学系に対して１つでもよい。

また、本実施形態において、少なくとも１つの光学系は、１枚以上の屈折力可変レンズを有する（フォーカス調整用）ことが好ましい。
屈折力可変レンズを用いることで、光学ズームによるレンズ駆動がないため、効果的に薄型化かつフォーカシングが可能となる。

また、複数の光学系のうち、少なくとも最も焦点距離の長い光学系において、被写体からの光が光学系を構成するレンズ内で１回以上反射し、かつ、少なくとも最も焦点距離の長い光学系の被写体側のレンズ面から撮像素子までの距離と、その他の光学系の被写体側のレンズ面から撮像素子までの距離と略同じように構成することが好ましい。

図１４（ｃ）の４つのレンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４のうちの、レンズＬ４は、被写体からの光が光学系を構成するレンズ内で１回以上反射し、かつ撮像素子Ｉまでの距離は他のレンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３と同じである。
これにより、図１４（ｃ）に示すように、さらなる撮像装置の小型化を達成できる。

また、画像生成部１０３は、焦点距離ｆ_ｍを有する光学系Ｌｆ_ｍの画像と、焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系Ｌｆ_ｍ−１の画像とから視差量を変化させた画像を生成することが望ましい。そして画像表示部１０４は、生成した画像を表示する。

これにより、視点位置もシフトした画像を生成することができる。
焦点距離ｆ_ｍを有する光学系Ｌｆ_ｍの画像と、焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系Ｌｆ_ｍ−１の画像との２枚の視差画像から、中間の視差を持った画像を生成することができる。例えば、焦点距離ｆ_ｍを有する光学系Ｌｆ_ｍの画像と、焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系Ｌｆ_ｍ−１の画像との視差が１の場合、視差量０．５の画像を生成できる。換言すると、右目で光学系Ｌｆ_ｍの画像を観察し、左目で焦点距離ｆ_ｍ−１を観察するとき、両眼では、画像を半分ずつ０．５の割合で観察する。

この結果、光学系を切り替えた時の視差のずれを低減できる。

また、画像生成部１０３は、焦点距離ｆ_ｍを有する光学系Ｌｆ_ｍと、焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系Ｌｆ_ｍ−１とでズームする時、焦点距離ｆ_ｍを有する光学系Ｌｆ_ｍの光軸（光学中心）からの表示画像の中心の水平方向変化量ｘ_{ｍ，ｍ−１}、垂直方向変化量ｙ_{ｍ，ｍ−１}の少なくともどちらかの量に応じた視差量の画像を生成することが好ましい。

この結果、生成する画像の視差量は、表示画像の中心の変化量で変わる。このため、少なくとも水平方向変化量、垂直方向変化量のどちらかの量に応じた視差量の画像を生成することにより、光学系を切り替えた時の視差のずれを低減できる。

以上説明したように、本実施形態では、ズーム倍率の変化に合わせて表示画像の中心を変化させることで、光学系切り替えによる撮影範囲のシフト量を抑制し、不自然な印象を緩和することができる。また、撮影範囲の大きなシフトによって、使用者が被写体を見失しなうことを防ぐことができる。
さらに、ボケや被写界深度の急激な変化を防ぐことで、光学系切り替えによる不自然な印象を緩和できる。

以上のように、本発明にかかる撮像装置は、複数の光学系を有し、ズームを行う撮像装置に有用である。

１００ 撮像装置
１０１ レンズ
１０２ 撮像素子
１０３ 画像生成部
１０４ 画像表示部
１０５ 制御部
１０６ ズーム制御部
１０７ 光学系切り替え部
２００ 携帯電話
２０１ 表示部
２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄ 光学系
Ｌｆ１、Ｌｆ２、Ｌｆ３、Ｌｆ４ 光学系
Ａｆ１、Ａｆ２、Ａｆ３、Ａｆ４ 撮影範囲
ＡＸ 光軸
ＥＮＰ 入射瞳
ＯＢＪ 被写体

Claims (11)

1. 異なる焦点距離を有する複数の光学系と、
   前記光学系により被写体を撮像する撮像素子と、
   前記複数の光学系の少なくとも一つの光学系による出力画像の画角を変化させるズーム制御部と、を有し、
   変化する画角の一部が、他の光学系の画角と同じであり、
   さらに、
   ズーム時の表示画像の中心位置を、前記画角の一部が同じである前記他の光学系の光軸中心に向かって変化させる制御部を有することを特徴とする撮像装置。
2. 前記複数の光学系は、ｎ個の光学系からなり、
   ｍ番目に短い焦点距離を有する光学系の焦点距離をｆ_ｍ（ｍ＝１〜ｎ；ｍ、ｎは整数）とし、
   焦点距離ｆ_１を広角端における焦点距離とし、
   焦点距離ｆ_ｎを望遠端における焦点距離とそれぞれしたとき、
   焦点距離ｆ_ｍを有する光学系は固定焦点であり、
   前記ズーム制御部は、電子ズームによりズーミングを行うことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記焦点距離ｆ_ｍを有する光学系と前記焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系との間でズームする時、前記焦点距離ｆ_ｍを有する光学系の光軸中心からの表示画像の中心の水平方向の変化量、垂直方向の変化量はそれぞれ、以下の条件式（１）、（２）を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
   ｘ_{ｍ、ｍ−１}＝ｄｘ_{ｍ，ｍ−１}×Ｂ_{ｍ，ｍ−１}/(Ｂ_{ｍ，ｍ−１}−Ｂ_ｍ−１) （１）
   ｙ_{ｍ，ｍ−１}＝ｄｙ_{ｍ，ｍ−１}×Ｂ_{ｍ，ｍ−１}/(Ｂ_{ｍ，ｍ−１}−Ｂ_ｍ−１) （２）
   ここで、
   ｄｘ_{ｍ、ｍ−１}は、前記焦点距離ｆ_ｍを有する光学系の光軸中心と、前記焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系の光軸中心との水平方向の距離、
   ｄｙ_{ｍ、ｍ−１}は、前記焦点距離ｆ_ｍを有する光学系の光軸中心と、前記焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系の光軸中心との垂直方向の距離、
   Ｂ_ｍ−１は、焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系の撮影時のズーム倍率、
   Ｂ_{ｍ，ｍ−１}＝ｆ_ｍ/ｆ_ｍ−１、
   である。
4. 以下の条件式（３）、（４）を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の撮像装置。
   ｄｘ_{ｍ，ｍ−１}＜Ｌ_ｍ×（Ｔａｎθｘ_ｍ−１−Ａ×Ｔａｎθｘ_ｍ） （３）
   ｄｙ_{ｍ，ｍ−１}＜Ｌ_ｍ×（Ｔａｎθｙ_ｍ−１−Ａ×Ｔａｎθｙ_ｍ） （４）
   Ｂ_{ｍ，ｍ−１}＝ｆ_ｍ/ｆ_ｍ−１
   １０≧Ａ≧１
   ここで、
   ｄｘ_{ｍ、ｍ−１}は、前記焦点距離ｆ_ｍを有する光学系の光軸中心と、前記焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系の光軸中心との水平方向の距離、
   ｄｙ_{ｍ、ｍ−１}は、前記焦点距離ｆ_ｍを有する光学系の光軸中心と、前記焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系の光軸中心との垂直方向の距離、
   Ｂ_ｍ−１は、焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系の撮影時のズーム倍率、
   θｘ_ｍ、θｘ_ｍ−１は、ｘ方向の半画角、
   θｙ_ｍ、θｙ_ｍ−１は、ｙ方向の半画角、
   Ａは係数、である。
5. ２＞Ａ＞１おいて、
   ｍ＞１の場合の焦点距離ｆ_ｍを有する光学系の撮影範囲は、少なくとも他の光学系の撮影範囲に含まれ、
   前記画像生成部は、表示範囲の中心が変化した際の表示範囲において、選択されている光学系による撮影範囲外の画像を、選択されていない他の光学系による撮影範囲内の画像を用いて補完することを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
6. 前記画像生成部は、焦点距離ｆ_ｍを有する光学系の撮影画像と、焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系の撮影画像とを用いて表示画像を生成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の撮像装置。
7. 前記画像表示部は、表示画像中心の移動方向を表示することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の撮像装置。
8. 制御部は、前記複数の光学系の切り替え時に、撮像画像のボケの変化が少ないＦナンバーを有する光学系へ切り替え、
   以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の撮像装置。
   ＦＮＯ_ｍ−１＝ＦＮＯ_ｍ/((ｆ_ｍ/ｆ_ｍ−１)^２) （５）
   ｆ_ｍ＞ｆ_ｍ−１ （６）
   ここで、
   ＦＮＯ_ｍ−１は、前記焦点距離ｆ_ｍ−１を有する光学系のＦナンバー、
   ＦＮＯ_ｍは、前記焦点距離ｆ_ｍを有する光学系のＦナンバー、
   である。
9. 前記制御部は、焦点距離に応じて前記各光学系に対する撮像面のサイズを変えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の撮像装置。
10. 少なくとも１つの光学系は、１枚以上の屈折力可変レンズを有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の撮像装置。
11. 前記複数の光学系のうち、少なくとも最も焦点距離の長い光学系において、被写体からの光が光学系を構成するレンズ内で１回以上反射し、
    かつ、少なくとも最も焦点距離の長い前記光学系の被写体側のレンズ面から撮像素子までの距離と、その他の前記光学系の被写体側のレンズ面から撮像素子までの距離と同じことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の撮像装置。

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