JP5184244B2

JP5184244B2 - 撮像装置

Info

Publication number: JP5184244B2
Application number: JP2008195391A
Authority: JP
Inventors: 秀章上條; 武志廣川; 富裕若山; 泰慎小泉; 譲清野
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Precision Corp
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2008-07-29
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2028-07-29
Also published as: JP2010032805A

Description

本発明は、車載、監視、工業用等において、被写体を撮像する撮像装置に係わり、特に、撮像する被写体画像内の光量差が大きいために発生する、フレアやゴーストの影響を防止することを可能にした撮像装置に関する。

特許文献１に示すように、従来技術に係る撮像装置においては、撮像光学系の後段に設けられた撮像素子の前面にカバーガラスまたは光学フィルタの少なくとも一方または両方を撮像素子の入射面に対して斜めに配置していた。

図９は、従来技術に係る撮像装置の撮像光学系に結像レンズを用いた場合のダイナミックレンジの悪化（レンズシミュレーションによるフレア発生）を説明するための図であり、図９（ａ）は、撮像面１２に正常結像光が得られた場合の撮像光学系を示す図（１〜５、７〜１１はレンズ表面、６は絞り、１２は結像面を示す。）、図９（ｂ）は、レンズ表面反射（レンズ表面９と、レンズ表面１１間の反射）によりフレアが発生する場合の撮像光学系を示す図、図９（ｃ）は、鏡筒１３内反射によりフレアが発生する場合の撮像光学系を示す図である。
図１０は、従来技術に係る撮像装置の撮像光学系に結像レンズを用いた場合のダイナミックレンジの悪化の状況を示す図であり、図１０（ａ）は、フレアの影響を受けた場合の露光時間の異なる（（１）は、１／１秒、（２）は１／３２秒、（３）は、１／４８０秒、（４）は、１／８０６０秒）撮像画像出力信号と撮像画像(被写体)の明るさとの関係を示す図、図１０（ｂ）は、露光時間の異なる画像出力信号から撮影画像の明るさの範囲に応じて画像出力を得る場合（広ダイナミックレンジ撮像装置）のフレアの影響を受けた場合の撮像画像出力信号と、撮像画像の明るさとの関係を示す図である。これによれば、いずれの場合にも各露光時間ともフレア光が加算され撮像素子からの画像出力信号が飽和し、コントラストが低下し、画像出力信号のダイナミックレンジが悪化している。

図９および図１０を参照して、フレア光量を試算すると、入力される光学像の最大光量を１００％として換算すると、低フレア仕様のレンズでも０．３％、一般レンズでは０．６％がフレア光として光学像全体にかぶる。被写体の光量比が３３００万倍（１５０ｄＢ）の場合、結像レンズを通して撮像した場合、画像全体に上記０．３％が各露光条件の撮像画像信号にフレア光としてかぶることになり、撮像画像出力信号の最大値４０９６ＬＳＢとすると、４０９６ＬＳＢ（≒７２ｄＢ）×０．３％＝１２．３ＬＳＢ（２１ｄＢ）相当のコントラスト低下を引き起こす。従って、５１ｄＢ程度のコントラストとなる。また、部分画像信号においては、最短時間露光画像の影響度が大きく、１５０ｄＢから１２９ｄＢ以下に低下する。０．６％の場合は、４０９６ＬＳＢ（≒７２ｄＢ）×０．６％＝２４．６ＬＳＢ（２８ｄＢ）以上低下し、１５０ｄＢから１２３ｄＢ以下に低下し、さらに撮像光学系の内部鏡内の反射も加味すると、１００〜１２０ｄＢあたりに限界値が試算される。すなわち、撮像光学系に結像レンズを用いた広ダイナミックレンジ撮像装置においては、フレアの影響によりコントラストが低下し、低フレアレンズ製品でも１００〜１２０ｄＢのダイナミックレンジが限界であり、カメラシステムが１５０〜１７０ｄＢの仕様のものでも、撮影画像は１００〜１２０ｄＢに止まってしまう。
特開２００７−２７２０５５号公報

従来の撮像装置において、撮像光学系の後段に設けられる撮像素子の前面にカバーガラスまたは光学フィルタの少なくとも一方または両方を撮像素子の入射面に対して斜めに配置しても、実際に撮影する被写体画像の光量比が高い画像の場合には、最も強い光は、カバーガラスまたは光フィルタの表裏面で多重反射し、更に、撮像素子面とも反射を繰り返し、散乱するため、撮像画像全体へのフレア成分として極めて大きな影響を与える光ノイズ成分となる。そのため、広ダイナミックレンジの撮像装置においては、広ダイナミックレンジが確保できないという問題があった。

また、図９（ｂ）、（ｃ）に示すように、撮像素子に結像させるまでの撮像光学系に結像レンズが配置されていると、結像レンズの表面や結像レンズを配置するためのレンズ鏡筒の内面反射により、フレアやゴーストが生じ、広ダイナミックレンジの撮像装置においては、広ダイナミックレンジの性能を引き出すことができないという問題があった。

本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、カバーガラスや光フィルタの配置や撮像光学系を改善することにより、フレアやゴーストを防ぎ、広ダイナミックレンジ等の撮像装置においてダイナミックレンジの範囲を拡大することを可能にした撮像装置を実現することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、少なくとも、撮像光学系と、該撮像光学系により被写体の光学像を結像する撮像素子とからなる撮像装置であって、撮像光学系は筐体により構成されるとともに、その結像光学系の全てが筐体内に設けられた複数の反射ミラーで構成されており、前記撮像光学系を構成する筐体の光学像を取込む入射口に前記撮像素子のカバーガラスを設け、該カバーガラスは、光学フィルタの機能を備えるものであり、かつ、該カバーガラスから前記撮像光学系を通って前記撮像素子に入射後反射され、再度前記撮像光学系を通って前記カバーガラスに入射後反射し、再度前記撮像光学系を通った光が、前記撮像素子の有効撮像範囲外に到達するように、前記撮像光学系の入射口に撮像光学系の光軸中心の垂直な面に対して傾斜させて配置されることを特徴とする撮像装置、である。
第２の手段は、第１の手段において、前記撮像装置が、広ダイナミックレンジの撮像装置であることを特徴とする撮像装置である。

請求項１に記載の本発明によれば、所定の条件で、撮像光学系の入射口にカバーガラスおよび／または光フィルタを配置することによって、従来のカバーガラスおよび／または光フィルタを撮像素子の前面に傾斜して配置した場合に比べてカバーガラスおよび／または光フィルタの裏面で反射した反射光が撮像光学系を通って撮像素子に入射する光を大幅に減少させることができ、フレアやゴーストの発生を抑制することができる。
また、撮像光学系に入射した光は、各反射ミラーによって反射され撮像素子に入射されるので、従来の結像レンズを用いた場合の結像レンズ面において発生した多重反射を無くすことができ、フレア等の発生をより一層確実に防止することができる。
さらに、請求項２に記載の発明によれば、フレアやゴーストを大幅に低減することができるため、広ダイナミックレンジの撮像装置を実現することができる。

本発明の実施形態を図１ないし図８を用いて説明する。
〔第１の実施形態〕
図１は、本発明に係る撮像装置１の斜視図である。
図２は、図１に示した撮像装置１の撮像光学系の外観を示す斜視図であり、図２（ａ）は、正面方向から見た斜視図、図２（ｂ）は裏面方向から見た斜視図である。
図３は、本発明の第１の実施形態の撮像装置に適用される光路と平行な切断面から見た撮像光学系の断面図である。
同図において、１は撮像光学系、２は撮像光学系１を構成する筐体、３は撮像光学系１における結像光学系を構成するために配置された複数枚の反射ミラー、４は撮像素子、５は防塵等のために設けられた透明のカバーガラス、６は撮像光学系１に入射された光が撮像素子４に入射されるまでの光路である。

図３に示すように、本発明の撮像光学系１においては、撮像素子４の結像面にはカバーガラスを配置せずに、撮像光学系１の光学像を取込む入射口にカバーガラス５を設ける。カバーガラス５の配置位置は、カバーガラス５に入射した光が、撮像光学系１を通って撮像素子４に入射後反射され、再度撮像光学系１を通ってカバーガラス５に入射後反射し、再度撮像光学系１を通った光が、撮像素子４の有効撮像範囲外に到達するような位置に配置する。具体的には、カバーガラス５に入射後、カバーガラス５から出射した出射光の出射角と、この出射光がカバーガラス５から撮像光学系１を通って撮像素子４に入射後反射され、再度撮像光学系１を通ってカバーガラス５に入射後反射する反射光の反射角とが、所定の角度異なるように、例えば、撮像光学系１の光軸中心（光路６）に垂直な面とカバーガラス５が、２°ないし４０°異なるように撮像光学系１の入射口に配置する。この実施形態では、撮像光学系１の光軸中心の垂直な面と４０°異なるようにカバーガラス５を配置したものを示している。

撮像素子４として１／３インチサイズ（４．８ｍｍ×３．６ｍｍ）のＣＭＯＳセンサー、撮像光学系１として合成焦点距離１７．３ｍｍ、ＣＭＯＳセンサーの素子表面からカバーガラス５の内面までの光軸中心の距離を１１２．７１ｍｍとしたときの具体例について説明する。ＣＭＯＳセンサーに入射し、そのセンサー表面で反射した光が撮像光学系を入射光と反対側に反射されカバーガラスの内面で再度反射されてＣＭＯＳセンサーに入力するときの光軸に対する戻り光のＣＭＯＳセンサーの短辺側の最大角度は５．７°（ＣＭＯＳセンサーの中心からみて２．８５°と２．８５°）であり、また長辺側の角度は７．２°（ＣＭＯＳセンサーの中心から見て３．６°と３．６°）となる。この時、ＣＭＯＳセンサー表面のどの位置から反射した光も、戻り光として再度ＣＭＯＳセンサー表面に入射しないためには、ＣＭＯＳセンサーの対角線以上の角度を持ってＣＭＯＳセンサーに再度入射する反射光が光軸に対して持つようにカバーガラス５を配置すればよい。ここで、θ≒ｓｉｎθとすると、

即ち９．１８°以上の傾きを反射光が光軸に対して持つようにカバーガラス５を配置すればよいことがわかる。

なお、カバーガラス５は、防塵機能以外に、光フィルタの機能を兼用してもよい。また、カバーガラス５とは別体に光フィルタを並べて配置してもよい。

上記の条件で、撮像光学系１の入射口にカバーガラス５を配置することによって、従来のカバーガラスを撮像素子の前面に傾斜して配置する場合に比べて、カバーガラス５の裏面で反射した反射光が撮像光学系１を通って撮像素子４に入射する光を大幅に減少させることができ、フレアの発生を抑制することができる。また、撮像光学系１は複数の反射ミラー３で構成しないで、撮像光学系１を複数の結像レンズで構成してもよいが、撮像光学系１を複数の反射ミラー３で構成した場合は、撮像光学系１に入射した光は、光路６を経て、各反射ミラー３によって反射され撮像素子４に入射されるので、結像レンズを用いた場合に結像レンズ面において発生する多重反射を無くすことができ、フレア等の発生をより確実に防止することができる。
〔第２の実施形態〕

図４は、第２の実施形態の撮像装置１の撮像光学系の外観を示す斜視図であり、図４（ａ）は、正面方向から見た斜視図、図４（ｂ）は裏面方向から見た斜視図である。
図５は、本発明の第２の実施形態の撮像装置に適用される光路と平行な切断面から見た撮像光学系の断面図である。

図４に示すように、本実施形態においては、カバーガラス５の配置を除いては、前記した第１の実施形態と同様の構成を有している。本実施形態においても、カバーガラス５の配置位置は、カバーガラス５に入射した光が、撮像光学系１を通って撮像素子４に入射後反射され、再度撮像光学系１を通ってカバーガラス５に入射後反射し、再度撮像光学系１を通った光が、撮像素子４の有効撮像範囲外に到達するような位置に配置する。具体的には、カバーガラス５に入射後、カバーガラス５から出射した出射光の出射角と、この出射光がカバーガラス５から撮像光学系１を通って撮像素子４に入射後反射され、再度撮像光学系１を通ってカバーガラス５に入射後反射する反射光の反射角とが、所定の角度異なるように、この実施形態では、撮像光学系１の光軸中心の垂直な面と２°異なるようにカバーガラス５を配置している。
なお、カバーガラス５は、防塵機能以外に、光フィルタの機能を兼用するようにすること等は、第１の実施形態と同様であることは言うまでもない。

図６は、本発明に係る撮像装置を広ダイナミックレンジの車載用カメラに適用した場合の説明図である。
同図に示すように、車載用カメラ７として適用された広ダイナミックレンジの撮像装置を、車両の左右のヘッドライト付近に装着し、道路の白線認識用として用いると極めて有効に機能させることができる。

図７は、本発明に係る撮像装置を交差点などの広ダイナミックレンジの監視用カメラに適用した場合の説明図である。
同図に示すように、監視用カメラ８として適用された広ダイナミックレンジの撮像装置を、交差点を監視するために、周囲のビルや信号機などに設置し、２４時間３６５日、常時交差点の監視を行うと、朝日や夕日などの強い入射光などが画像に取込まれる環境下にあっても、撮像素子の飽和のない、状況確認を行うための撮影画像を取得することができる。

図８は、本発明に係る撮像装置を工場内の広ダイナミックレンジのＦＡ（ＦａｃｔｏｒｙＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ）用カメラに適用した場合の説明図である。
同図に示すように、ＦＡ用カメラ９として適用された広ダイナミックレンジの撮像装置を、例えば、レーザー半田付け装置付近に装備し、電子部品とプリント基板の半田付けの様子を撮像することにより、撮像画像をＴＶモニターなどに表示する。これによって、作業者はレーザーの危険に曝されずに、レーザー加工状況を安全に確認することができ、場合によっては、撮像素子が飽和せずに安定した画像が得られるため、その画像を画像処理し、半田付け状況を正確に観察して自動半田を行うためのアシスト機能を実現することができる。

本発明に係る撮像装置の斜視図である。図１に示した撮像装置の撮像光学系の外観を示す斜視図である。図２に示した撮像光学系の光路と平行な切断面から見た断面図である。第２の実施形態の撮像装置の撮像光学系の外観を示す斜視図である。図４に示した第２の実施形態の撮像光学系の光路と平行な切断面から見た断面図である。本発明に係る撮像装置を広ダイナミックレンジの車載用カメラに適用した場合の説明図である。本発明に係る撮像装置を交差点などの広ダイナミックレンジの監視用カメラに適用した場合の説明図である。本発明に係る撮像装置を工場内の広ダイナミックレンジのＦＡカメラに適用した場合の説明図である。従来技術に係る撮像装置の撮像光学系に結像レンズを用いた場合のダイナミックレンジの悪化（レンズシミュレーションによるフレア発生）を説明するための図である。従来技術に係る撮像装置の撮像光学系に結像レンズを用いた場合のダイナミックレンジの悪化の状況を示す図である。

符号の説明

１撮像光学系
２筐体
３反射ミラー
４撮像素子
５カバーガラス
６光路

Claims

少なくとも、撮像光学系と、該撮像光学系により被写体の光学像を結像する撮像素子とからなる撮像装置であって、
撮像光学系は筐体により構成されるとともに、その結像光学系の全てが筐体内に設けられた複数の反射ミラーで構成されており、
前記撮像光学系を構成する筐体の光学像を取込む入射口に前記撮像素子のカバーガラスを設け、
該カバーガラスは、光学フィルタの機能を備えるものであり、かつ、
該カバーガラスから前記撮像光学系を通って前記撮像素子に入射後反射され、再度前記撮像光学系を通って前記カバーガラスに入射後反射し、再度前記撮像光学系を通った光が、前記撮像素子の有効撮像範囲外に到達するように、前記撮像光学系の入射口に撮像光学系の光軸中心の垂直な面に対して傾斜させて配置される
ことを特徴とする撮像装置。
前記撮像装置が、広ダイナミックレンジの撮像装置であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。