JP4169661B2

JP4169661B2 - 撮像装置

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Publication number: JP4169661B2
Application number: JP2003279318A
Authority: JP
Inventors: 哲英武山
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2003-07-24
Filing date: 2003-07-24
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2023-07-24
Also published as: CN1577045A; CN100517049C; JP2005045670A; US7589872B2; EP1500964A1; US20050219648A1

Description

本発明は、アスペクト比を変換可能な小型、薄型の撮像装置に関する。

従来、撮像システムにおいて、撮像光学系のアスペクト比を変換するための手法としてアナモリフィックコンバーターを用いる手法が、例えば、次の特許文献１に開示されている。
特開平６−８２６９１号公報

特許文献１に記載のアナモリフィックコンバーターを、図８に示す。アナモリフィックコンバーターは、画面サイズの水平あるいは垂直方向にのみ光学的なパワーを有するシリンドリカルレンズＧ１〜Ｇ３を組み合わせて構成されている。このように構成することで、画面の水平あるいは垂直のみの画像を、拡大または縮小する効果を有している。そして、このアナモリフィックコンバーターを撮像光学系に着脱自在とすることで、撮影者は撮影画像のアスペクト比を変換することができる。

しかし、特許文献１に記載の構成では、次のような問題がある。
第１に、撮影者の撮影画像のアスペクト比を変換するためには、アナモリフィックコンバーターの着脱や交換作業が必要となる。そのため、撮影者が、アスペクト比を迅速に切り替えることが困難である。第２に、アナモリフィックコンバーターが変換対応できる撮影画像のアスペクト比が特定されているため、多数のアスペクト比に変換するためには、所望のアスペクト比に合わせて多種類の交換用アナモリフィックコンバーターを準備しなければならない。そのため、その分、交換用アナモリフィックコンバーターの購入コストがかかる。更に、操作時の携帯が煩雑化するほか、保管スペースも必要となるという問題が生じる。

また、近年、小型化、薄型化した撮像装置が望まれている。その大きさは、例えば、磁気媒体を備えたカード程度の大きさである。ところが、アスペクト比を変換するにあたって、シリンドリカルレンズを用いたアナモリフィックコンバーターの交換による構成では、撮像装置をそのように小型化、薄型化することが難しい。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、コンバーター等を用いることなく、迅速に、多種類のアスペクト比に変換でき、かつ、小型化、薄型化できる撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明による撮像装置は、物体側から順に、スキャンミラーと、扁平形状の光学系と、扁平形状の２次元撮像素子と、前記スキャンミラーで走査し前記２次元撮像素子で撮像した各画像をつなぎあわせて１つの合成画像をつくる画像合成処理手段を有し、かつ、前記光学系の扁平方向と前記２次元撮像素子の扁平方向が一致するように構成したことを特徴としている。

また、本発明の撮像装置においては、前記２次元撮像素子の撮像面のアスペクト比αが次の条件式を満足することを特徴としている。
０．０５＜ α ＜０．５ …(1)
また、本発明の撮像装置においては、前記画像合成処理手段を介して合成される１つの合成画像を２分割以上３２分割以内で分割した画像が、１回の走査における前記２次元撮像素子での撮影画像となるようにしたことを特徴としている。
また、本発明の撮像装置においては、前記扁平形状の光学系は、前記扁平形状の２次元撮像素子の撮像面のアスペクト比の短手方向と同じ方向の肉厚が薄くなるように形成されていることを特徴としている。
また、本発明の撮像装置においては、前記スキャンミラーは、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）ジンバルミラーで構成されていることを特徴としている。
また、本発明の撮像装置においては、前記スキャンミラーは、回転順に連続的に反射角が異なる複数の反射面をもつ１次元回転ミラーで構成されていることを特徴としている。
また、本発明の撮像装置においては、厚みが１ｍｍ〜５ｍｍのカードに適用されることを特徴としている。
更に、本発明の撮像装置においては、前記撮像装置で撮像され、前記画像合成処理手段でつなぎ合わされる隣り合う１つの走査画像が、一部分の領域でオーバーラップしてつなぎ合わせられるようにしたことを特徴としている。

本発明の撮像装置によれば、コンバーター等を用いることなく、迅速に、多種類のアスペクト比に変換でき、かつ、小型化、薄型化できる撮像装置が得られる。

実施例の説明に先立ち、本発明の作用効果について説明する。

本発明の撮像装置では、走査を制御することによって撮影画像の数を変えて取得し、それらを合成して合成画像を作成する。これにより、コンバーターなどの付属物を用いることなく、アスペクト比を迅速に変換することができる。また、合成する撮影画像の開始画像（撮影開始位置）を選択することにより、合成画像における撮影対象の中心を、一方向（例えば水平方向など）に沿って選択的に変えることができる。また、スキャンミラーを用いることで、光路を折り曲げて撮像装置を小型化することができる。さらに、同じ方向に扁平形状に形成された光学系と前記２次元撮像素子を用いれば、撮像装置を薄型化、小型化することができる。

上記条件式(1)は、良好な画質を維持しながら小型化、薄型化を達成するための条件式であって、２次元撮像素子の撮像面のアスペクト比を規定した条件式である。

上記条件式(1)の下限値を下回って、撮像面のアスペクト比αが小さくなると、合成処理を施した撮影画像（合成画像）のアスペクト比との差が大きくなりすぎる。これは、合成画像を生成するにあたって、画像（分割画像）の枚数を多く必要とすることを意味する。しかし、２次元撮像素子の露出時間および取得した画像の読み出し時間には、所定の時間が必要である。このため、動体などの撮影を行った際には像ブレが大きくなり、画質がひどく劣化してしまう。

一方、上記条件式(1)の上限値を上回って、撮像面のアスペクト比αが大きくなると、光学系を通過する光線の有効径領域を広くしなくてはいけなくなる。すると、光学系の扁平率が上昇して、１．０に近くになる。その結果、光学系が大きくなりすぎてしまい、撮像装置の薄型化が困難となる。

また、１つの合成画像を構成する分割画像の数が２を下回ると、光学系の扁平率が光線有効径の上昇により１．０に近くなる。その結果、光学系が大きくなりすぎてしまい、撮像装置の薄型化が困難になる。

一方、１つの合成画像を構成する分割画像の数が３２を上回ると、分割画像のアスペクト比と合成処理を施した撮影画像のアスペクト比との差が大きくなりすぎる。そのため、合成画像を生成するにあたって、多くの画像（分割画像）を必要とする。しかるに、２次元撮像素子の露出時間および取得した画像の読み出し時間には所定の時間が必要である。このため、動体などの撮影を行った際の像ブレが大きくなり画質がひどく劣化してしまう。

なお、本発明においては、光学系を扁平形状（例えば小判状）としている。そして、すなわち、扁平形状の２次元撮像素子の撮像面の短手方向と同じ方向において、肉厚が薄く（外形寸法が小さく）なるように、光学系を形成している。このようにすることで、撮像装置の小型化、薄型化が実現できる。

なお、本発明においては、スキャンミラーは、ＭＥＭＳジンバルミラーで構成することができる。あるいは、回転順に対応して異なる反射角となる反射面を持つ１次元回転ミラーで構成してもよい。

また、本発明の撮像装置は、厚みが１ｍｍ〜５ｍｍのカードに適用されるのが好ましい。
カード厚が１ｍｍ以下では薄すぎて撮像装置の製造が困難となる。他方、カード厚が５ｍｍ以上では厚すぎる。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

図１は本実施例にかかる撮像装置の概略構成を示す図、図２は本実施例にかかる撮像装置の撮像光学系の概略構成を示す図である。それぞれの図において、(a)は上面図、(b)は側方からみた断面図である。図３は図２の撮像光学系の縦収差図で、(a)は球面収差、(b)は非点収差、(c)は歪曲収差を示している。

図４は本実施例にかかる撮像装置における合成画像に対する撮影画像の一構成例を示す説明図であり、(a)は合成画像のアスペクト比が３：４、(b)は合成画面のアスペクト比が任意の比率、(c)は合成画像のアスペクト比が１６：９の場合を示している。図５は本実施例にかかる撮像装置における合成画像に対する撮影画像の変形例を示す説明図である。

本実施例の撮像装置は、カード本体ハウジング１の内部に１次元スキャンミラー２と、レンズ群３と、２次元撮像素子４と、画像合成処理手段５を有して構成されている。２次元撮像素子４は、１次元スキャンミラー２で走査した領域を撮像する。画像合成処理手段５は、２次元撮像素子４で撮像した各画像をつなぎあわせて、１つの合成画面をつくる
なお、図中、１ａは撮影用開口部、６は開口絞り、７は扁平形状の２次元撮像素子用カバーガラスである。

１次元スキャンミラー２は、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）ジンバルミラーで構成されている。

レンズ群３は直交する２つの方向で外形寸法が異なり、扁平形状となっている。この扁平方向は、１次元スキャンミラー２によって光線が偏向される方向の外形寸法が小さくなっている。ここで、後述するように、２次元撮像素子４の撮像面も扁平形状となっている。よって、レンズ群３は、２次元撮像素子４の撮像面の短手方向と同じ方向の肉厚が薄くなるように、配置されている。すなわち、扁平形状の光学系３と扁平形状の２次元撮像素子４は、扁平方向が一致している。

２次元撮像素子４も扁平形状となっている。より詳しくは、撮像面が扁平形状となっている。そして、撮像面のアスペクト比αとすると、以下の条件を満足する。
０．０５＜ α ＜０．５
また、２次元撮像素子４は、１つの合成画像に対して、２分割以上３２分割以内の撮影画像となるような画素数を有している。本実施例の撮像装置では、画像合成処理手段５を介して、１つの合成画像が生成される。その際、合成画像の生成には、任意のｎ個（ｎは２分割以上３２分割以内）に分割した画像を用いる。よって、本実施例の撮像装置では、上記ｎ個に分割されたうちの１つの画像が、１回の走査で得られる撮影画像となるように構成されている。この分割画像の個数は、スキャンミラー２の回転速度と２次元撮像素子４の撮像時間によって定まる。

例えば、図４に示すように、１６分割の領域を走査しながら撮像して分割画像を取得し、分割画像を合成した場合は、合成画像のアスペクト比が３：４となる。また、２１分割の領域を走査しながら撮像分割画像を取得し、分割画像を合成した場合は、合成画像のアスペクト比が１６：９となる。このように、本実施例の撮像装置では、ｎ（但し、２≦ｎ≦３２ｎは整数）個分の分割領域を走査しながら合成画像のアスペクト比を任意に変換できるようになっている。１回の走査における２次元撮像素子４による撮像時間、及びスキャンミラー２の走査速度は、１シャッターで１つの合成画像を作成する場合における１つの合成画像の分割数に応じた時間となる。

このように構成された本実施例の撮像装置では、１次元スキャンミラー２でｎ回１次元方向にミラーの角度を変えて走査しながら、開口部１ａから入射した光のうち１次元スキャンミラー２で分割された所定撮影範囲の光を反射し、レンズ群３、カバーガラス６を経て２次元撮像素子４で撮像する。各走査において撮像された画像は画像合成処理手段５でつなぎあわされる。そして、ｎ回の走査が終了時に１つの合成画像ができあがる。

次に、本実施例の撮像装置の撮像光学系を構成する光学部材の数値データを示す。
なお、非球面形状は、光軸方向をｚ、光軸に直交する方向をｙにとり、円錐係数をＫ、非球面係数をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとしたとき、次式にて表される。
ｚ＝（ｙ²／ｒ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ）・（ｙ／ｒ）²｝^1/2］
＋Ａｙ⁴＋Ｂｙ⁶＋Ｃｙ⁸＋Ｄｙ¹⁰
数値データ１
焦点距離： 4.65mm
Fno ： 2.8
像高： 1.68mm

面番号曲率半径(mm) 面間隔(mm) 屈折率(d-line) アッベ数
物体面 : ∞ ∞
開口絞 : ∞ 2.000
2 : -3.687 2.154 1.69350 53.2
3 : -2.896 0.100
4 : 4.440 2.412 1.74330 49.3
5 : -5.702 2.000 1.84666 23.8
6 : 4.660 0.914
7 : ∞ 1.000 1.51633 64.1
8 : ∞ 0.605
像面 : ∞ 0.000

非球面データ
第2面
K= 4.558237
A=-0.435904×10^-2 B=-0.315536×10^-2 C= 0.682960×10^-3
D= 0.367140×10^-3
第3面
K= 0.372397
A=-0.479874×10^-2 B= 0.738046×10^-3 C=-0.740595×10^-5
D= 0.519471×10^-5
第4面
K=-3.668441
A= 0.159853×10^-2 B= 0.665283×10^-3 C=-0.163756×10^-4
D=-0.278468×10^-5
第6面
K= 3.304163
A= 0.765822×10^-2 B=-0.278814×10^-2 C= 0.101811×10^-2
D=-0.755198×10^-4
扁平形状の２次元撮像素子４の撮像面は、ピクセルサイズが２．８μｍ、画素数は１２００ピクセル×１００ピクセル、扁平形状のレンズ群の光学面の最大サイズは、２．４ｍｍ×５．５６ｍｍである。

また、本実施例におけるカード本体ハウジング１の厚さは、２．４ｍｍを上回りかつ５ｍｍ以下となる範囲に設計されうる。

本実施例の撮像装置によれば、スキャンミラーによる各走査ごとの撮影画像を合成して１つの画像を作成するようにしたので、合成する撮影画像の数を変えることによりアスペクト比を変換することができる。このため、従来のコンバーターなどの付属物を用いることなく、迅速にアスペクト比を変換することができる。

また、合成する撮影画像の開始画像を選択することにより、合成画像における撮影対象の中心を一方向（例えば水平方向など）に沿って選択的に変えることができる。

また、スキャンミラー２を用いて、光路を折り曲げる構成としたのでその分、撮像装置を小型化することができる。さらに、光学系３と２次元撮像素子４を同じ方向に扁平形状に形成したので、撮像装置の薄型化、小型化が実現できる。

また、本実施例の撮像装置においては、２次元撮像装置４で撮像され、画像合成処理手段５でつなぎ合わされる。このとき、図５に示すように、隣り合う１つの走査画像Ｉ₁、Ｉ₂，Ｉ₃，…Ｉ_m（ｍ≦ｎ）が、一部分の領域でオーバーラップしてつなぎ合わせられるように、１次元スキャンミラー２の反射角、画像合成処理手段５での画像合成処理を制御するようにしてもよい。そのようにしても、合成画像のアスペクト比を自在に変換できる。

なお、図１，２の構成例では、１次元スキャンミラー２をＭＥＭＳジンバルミラーで構成したが、１次元スキャンミラー２を、バリアングル回転ミラーを用いて図６に示すように構成してもよい。

図６は本実施例の撮像光学系の１次元スキャンミラー２にバリアングル角柱回転ミラーを用いた変形例の断面を示す概略構成図で、(a)〜(c)はバリアングル回転ミラーを回転させたときの走査状態を示している。図７は図６の変形例に用いるバリアングル角柱回転ミラーを示す説明図で、(a)は上面図、(b)は側方からみた側面図を示している。

バリアングル角柱回転ミラーは、図７(a)に示すように、円周部に回転順に反射角が連続的に異なる複数の反射面２aを分割形成して構成されている。

そして、図６(a)〜(c)に示すように、バリアングル回転ミラーを回転させることにより、反射面２ａの反射角度が変わり、開口部１ａから入射した光のうち分割された所定撮影範囲の順に走査される。以降、図１，２で示した撮像装置と同様の処理を経て１つの合成画像ができあがる。

以上説明したように、本発明の撮像装置は、特許請求の範囲に記載の発明のほかに次のような特徴も備えている。

（１）前記扁平形状の光学系は、前記扁平形状の２次元撮像素子の撮像面のアスペクト比の短手方向と同じ方向の肉厚が薄くなるように形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の撮像装置。

（２）前記スキャンミラーは、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）ジンバルミラーで構成されていることを特徴とする請求項１〜３、上記（１）のいずれかに記載の撮像装置。

（３）前記スキャンミラーは、回転順に連続的に反射角が異なる複数の反射面をもつ１次元回転ミラーで構成されていることを特徴とする請求項１〜３、上記（１）のいずれかに記載の撮像装置。

（４）厚みが１ｍｍ〜５ｍｍのカードに適用される請求項１〜３、上記（１）のいずれかに記載の撮像装置。

（５）前記撮像装置で撮像され、前記画像合成処理手段でつなぎ合わされる隣り合う１つの走査画像が、一部分の領域でオーバーラップしてつなぎ合わせられるようにしたことを特徴とする請求項１〜３、上記（１）〜（４）のいずれかに記載の撮像装置。

本発明にかかる撮像装置の一実施例の概略構成を示す図で、(a)は上面図、(b)は側方からみた断面図である。本実施例にかかる撮像装置の撮像光学系の概略構成を示す図で、(a)は上面図、(b)は側方からみた断面図である。図２の撮像光学系の縦収差図で、(a)は球面収差、(b)は非点収差、(c)は歪曲収差を示している。本実施例にかかる撮像装置における撮像画面の取り方の一例を示す説明図であり、(a)は合成画面のアスペクト比が３：４、(b)は合成画面のアスペクト比が任意の比率、(c)は合成画面のアスペクト比が１６：９の場合を示している。本実施例にかかる撮像装置における合成画像に対する撮影画像の変形例を示す説明図である。本実施例の撮像光学系の１次元スキャンミラー２にバリアングル角柱回転ミラーを用いた変形例を示す概略構成図で、(a)〜(c)はバリアングル回転ミラーを回転させたときの走査状態を示している。図６の変形例に用いるバリアングル角柱回転ミラーを示す説明図で、(a)は上面図、(b)は側方からみた側面図を示している。アスペクト比の変換方法の一従来例を示す図で、(a)は上面図、(b)は側方からみた断面図である。

符号の説明

１カード本体ハウジング
１ａ撮影用開口部
２１次元スキャンミラー
２ａ反射面
３レンズ群
４２次元撮像素子
５画像合成処理手段
６開口絞り
７カバーガラス

Claims

物体側から順に、スキャンミラーと、扁平形状の光学系と、扁平形状の２次元撮像素子と、前記スキャンミラーで走査し前記２次元撮像素子で撮像した各画像をつなぎあわせて１つの合成画像をつくる画像合成処理手段を有し、かつ、前記光学系の扁平方向と前記２次元撮像素子の扁平方向が一致するように構成したことを特徴とする撮像装置。
前記２次元撮像素子の撮像面のアスペクト比αが次の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
０．０５＜ α ＜０．５
前記画像合成処理手段を介して合成される１つの合成画像を２分割以上３２分割以内で分割した画像が、１回の走査における前記２次元撮像素子での撮影画像となるようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
前記扁平形状の光学系は、前記扁平形状の２次元撮像素子の撮像面のアスペクト比の短手方向と同じ方向の肉厚が薄くなるように形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の撮像装置。
前記スキャンミラーは、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）ジンバルミラーで構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の撮像装置。
前記スキャンミラーは、回転順に連続的に反射角が異なる複数の反射面をもつ１次元回転ミラーで構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の撮像装置。
厚みが１ｍｍ〜５ｍｍのカードに適用される請求項１乃至４のいずれかに記載の撮像装置。
前記撮像装置で撮像され、前記画像合成処理手段でつなぎ合わされる隣り合う１つの走査画像が、一部分の領域でオーバーラップしてつなぎ合わせられるようにしたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の撮像装置。