JP2004221657A

JP2004221657A - 撮像装置

Info

Publication number: JP2004221657A
Application number: JP2003003298A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Suemoto; 一紀末元
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2003-01-09
Filing date: 2003-01-09
Publication date: 2004-08-05

Abstract

【課題】簡易な構成でディストーションの影響を抑制可能な撮像素子を備えた撮像装置を提供する。
【解決手段】レンズと、前記レンズの焦点位置に配置され、前記レンズを介して被写体からの光を受光し、電気信号に変換する複数の受光素子を有する撮像素子と、を備え、前記複数の受光素子は、前記レンズのディストーション特性に応じた形状に配列されていることを特徴とする撮像装置。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静止画または動画を撮像する撮像装置に係り、ディストーションを物理的に抑制した撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
デジタルカメラは、一般にＣＣＤ等の固体撮像素子を用いて、被写体からの光を受光し、受光した光を電気信号に変換して被写体の画像データを生成するものである。ここで、ＣＣＤ等の固体撮像素子は、デジタルカメラ内部においてレンズの後段に配置され、レンズにより集光された光を受光する。
【０００３】
一般に、レンズには、様々な収差が存在するが、それらの収差の中で、撮像された画像上の点全体が変位し、本来直線であるものが曲がって表現されてしまうディストーション（歪曲収差）と呼ばれる収差がある。このディストーションは、撮像レンズの倍率が撮像面の中心からの距離、すなわち像高によって一定でないために発生する収差である。ディストーションには、図８に示すような、糸巻き型歪曲と呼ばれる正の歪曲収差と、図９に示すような、たる型歪曲と呼ばれる負の歪曲収差の２種類が存在する。ディストーションの補正に関する技術を開示した先行技術文献としては、以下のようなものが存在する。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−２９２２０７
【特許文献２】
特開平１１−２５２４３１
【０００５】
特許文献１は、ディストーションを補正するための補正データが保存された補正データメモリを有する撮像装置を開示している。このデジタルカメラは、ディストーション補正用データを基に、撮像した画像をデジタル的に補正し、画像を出力する。
【０００６】
また、特許文献２は、ズームレンズを有するデジタルカメラのディストーション補正を開示している。このデジタルカメラは、撮像した画像の歪んだ画素位置を所定の関数を用いて歪みのない位置に置き換える演算を行うことにより、ディストーションをデジタル的に補正し、画像を出力する。このデジタルカメラは、ズームレンズのズーム位置に応じて正しい補正位置を算出する近似式を用いているため、ズームレンズのズーム位置に応じた補正を行うことが可能である。
【０００７】
一般に、単焦点レンズを備えたデジタルカメラの場合には、単焦点レンズは、広角レンズやズームレンズと比べて、ディストーションが発生しにくいため，あまりディストーションを意識することなくデジタルカメラの設計を行うことが可能である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、デジタルカメラの小型化や薄型化により、焦点距離がどんどん短くなってくると、単焦点レンズを備えたデジタルカメラであっても、ディストーションの影響が顕著となってくるため、何らかの手段を講じてディストーションを補正し、歪みのない画像を得なければならず、改善が望まれている。
【０００９】
この要望に答えるためには、特許文献１及び特許文献２に開示されているように、デジタル的に画像を補正しディストーションの影響を抑制することも考えられる。しかし、デジタル的な補正は、デジタルカメラ内部での各種演算処理を必要とするため、計算負荷が大きくなり、補正後の画像データを生成するために時間がかかってしまうという問題がある。特に、撮像素子が有する受光素子の数が増大すると、処理すべきデータ点数も増大するため、計算量が大幅に増大し、さらに計算時間が長くなってしまう。
【００１０】
この計算速度を向上のためには、メモリの増設や計算用のＣＰＵの性能向上等が挙げられるが、これらはコスト増大に結びついてしまう。さらに、メモリの増設のためには、デジタルカメラ内部の基板上に所定のスペースを用意しなければならず、デジタルカメラ小型化への障害となってしまうという問題もある。
【００１１】
本発明は、上記問題を鑑みて為されたものであり、簡易な構成でディストーションの影響を抑制可能なレンズを備えた撮像装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のデジタルカメラは、レンズと、前記レンズの焦点位置に配置され、前記レンズを介して被写体からの光を受光し、電気信号に変換する複数の受光素子を有する撮像素子と、を備えたデジタルカメラであり、前記複数の受光素子は、前記レンズのディストーション特性に応じた形状に配列されている。
【００１３】
本発明によれば、受光素子の配列は、レンズの歪曲収差の形状に対応しており、各受光素子は、あたかも歪曲収差が存在しない状態で受光すべき光を受光することができる。したがって、後段のデジタル処理部等において特別な計算を行うこと無く、歪曲収差を自動的に補正し、歪みのない綺麗な画像データを得ることが可能となる。したがって、計算に要する時間が短くなり、ストレスなく撮像を行い、モニターを用いてデータ確認を行うことができる。これにより、小型化、薄型化等によりレンズに求められるレンズ性能が不十分であっても、歪曲収差のない画像を楽しむことが可能となる。
【００１４】
具体的に、前記受光素子は、歪曲収差の形状に応じて、樽型に配置することも可能であり、また糸巻き型に配置することも可能である。
【００１５】
また、前記複数の受光素子は、第１受光素子配置密度を有する中央領域、前記中央部に隣接し、前記第１の受光素子配置密度とは異なる第２の受光素子配置密度を有する外縁領域とを備えて構成することも可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明に係るデジタルカメラの実施形態について説明する。
【００１７】
（第１実施形態）
図１は、本発明に係る撮像装置の第１実施形態を示す図である。撮像装置としては、静止画を撮像するデジタルカメラ、動画を撮像するデジタルビデオカメラ等が含まれる。以下、本実施形態では、デジタルカメラを例に説明を行う。
【００１８】
デジタルカメラ１は、焦点距離が一定で、撮影画角が固定された単焦点レンズ１１を備えている。デジタルカメラ１０は、レンズ１１を介して被写体からの光を集光し、受光面がレンズ１１の焦点位置に配置された撮像部１２によって光を受光する。撮像部１２は、それぞれ八角形形状を有する複数の受光素子を備えたハニカムＣＣＤと呼ばれる固体撮像素子で構成されている。各受光素子は、受光した光を受光量に応じて電気信号に変換し、得られた電気信号は、転送パルスに従い垂直転送路（ＶＣＣＤ）及び水平転送路（ＨＣＣＤ）を介して増幅器１３に出力される。撮像部１２の詳細については、後述する。
【００１９】
増幅器１３は、撮像部１２から送られた電気信号を所定の増幅率で増幅するアンプである。その後、電気信号はＡ／Ｄコンバータ１４によりデジタル信号に変換され、バスライン２０に送られる。バスライン２０には、ＣＰＵ２１と、デジタル信号処理部２２と、圧縮処理部２３と、記録媒体制御器２４と、表示部２５と、ＲＡＭ２６が接続されている。
【００２０】
デジタル信号処理部２２は、Ａ／Ｄコンバータ１４から送られたデジタル信号に各種補正処理を加える信号処理部である。具体的に、デジタル信号処理部２２は、ＣＰＵからの指示に応じて、色毎の積算値を基に各色信号のデジタル値に所定の調整値をかけあわせるホワイトバランス調整、ホワイトバランス調整が行われたＲＧＢ信号が所望のガンマ特性となるよう入出力特性を変更するガンマ補正、輝度信号とクロマ信号を生成するＹＣ処理等を行い、デジタル画像データを作成する。
【００２１】
圧縮処理部２３は、デジタル信号処理部２２が作成した画像データにＪＰＥＧ方式等の所定の圧縮方式に基づき圧縮し、所定のフォーマットの圧縮データを作成する。また逆に、圧縮処理部２３は、ＣＰＵ２１からの指示に応じて、所定のフォーマットに圧縮されたデータを解凍処理する作業も行う。
【００２２】
記録媒体制御器２４は、スマートメディア等の着脱可能な記録媒体３０と接続され、記録媒体３０との信号の伝達を行うインターフェースである。記録媒体制御器２４は、ＣＰＵ２１の指示に従い、記録媒体３０からのデータの読み出し、記録媒体３０へのデータの書き込みまたは消去等を行う。
【００２３】
表示部２５は、画像データの表示を行うモニターを有する。表示部２５は、例えば、デジタルカメラ１０の筐体の裏面に取り付けられており、ＣＰＵ２１からの指示に従い、記録媒体３０に書き込まれたデータがＲＡＭ２６に読み出され、表示部２５上のモニターに表示される。
【００２４】
図２は、デジタルカメラ１０の撮像部１２を示す斜視図である。撮像部１２は、中央部に配置された受光部４２を有するチップ４１であり、受光部４２に接続される配線等を封止した樹脂により封止されチップ４１として成型されている。受光部４２は、ハニカム配列で配列された複数のハニカム形状の受光素子を備えており、レンズ１１を介して入射した光を電気信号に変換する。受光素子の直上には、図示せぬマイクロレンズやＲＧＢのカラーフィルタが配置されており、各色に対応する光の強度を効率的に受光素子に送り込むことができるように構成されている。ここで、受光部４２は、複数の受光素子が縦横共に所定の曲線上に配置され、全体としてたる型形状を有している。
【００２５】
本実施形態の単焦点レンズ１１を用いたレンズ光学系には、負の歪曲収差が存在しており、図１０に示すように歪みのない画像を得ようとしても、長方形状の受光部を有する固体撮像素子を用いて、そのまま画像として出力すると、図９に示すようにたる型の歪曲が生じてしまう。本実施形態の撮像部１２の受光部４２は、この歪曲を考慮して設計されており、撮像された画像のピクセル上のデータ点が歪みの無い場合に得られるであろう点となるように、撮像部１２上の画素の位置を歪ませて配置している。
【００２６】
以下、撮像部１２上の受光素子の配列について図３を用いて詳細に説明を行う。図３は、従来の受光部と本実施形態の受光部の関係を示す図である。従来の受光部は、受光素子が縦横垂直にハニカム配列で配置されており、受光領域の外縁部を結んだ線は、長方形状となる。しかし、レンズ光学系に負の歪曲収差が存在すると、従来の受光部によって得られる画像は、たる型となってしまい、得られる画像が歪んで表現されてしまう。
【００２７】
本実施形態では、このレンズ光学系の歪みを考慮し、負の歪曲収差が生じる場合には、受光素子を負の歪曲収差に対応した配列、すなわちこの場合にはたる型に配置することで各受光素子が受け取る光が、歪曲が存在しない場合に受け取る光と同一となるように構成している。例としては、本実施形態では、従来の受光部の周縁部に存在する受光素子４３ａを、それぞれ歪みにあわせて４３ｎに移動させて全体の受光領域を形成している。
【００２８】
より詳細に述べると、歪曲収差による歪みは、簡単な場合二次関数で近似することができる。ここで、画像中心での歪みが０であることを考えると、歪みは、画像中心を通り、画面をそれぞれ上下及び左右に二等分する直線上に頂点を持つ二次関数であると考えることができる。すなわち、像高にたいして一次の項と二次の項のみとなる。ここで、歪みの加わった像高をｒ’、歪みのない状態の像高をｒ、二次関数の各係数をａ，ｂとすると以下のような関係式で表される。
【００２９】
ｒ’＝ａｒ^２＋ｂｒ・・・（１）
これを画像中心を原点としたｘｙ座標で書き直すと、
ｘ’＝｛ａ・（ｘ^２＋ｙ^２）^１／２＋ｂ｝・ｘ・・・（２）
ｙ’＝｛ａ・（ｘ^２＋ｙ^２）^１／２＋ｂ｝・ｙ・・・（３）
のように表される。
【００３０】
したがって、画像データ上の歪みに対応して、従来の長方形状の受光部における受光素子の位置（ｘ，ｙ）を式（２）及び（３）を用いて変換することによって、撮像部１２の複数の受光素子を配列（ｘ’，ｙ’）を求められ、図２に示すような撮像部１２を得ることが可能である。ここで、係数ａ及びｂは、レンズを含めた光学系に依存し、実際の測定やレイトレース計算によって具体的な数値を決定することができる。そして、計算により得られた関数（ｘ’，ｙ’）の値に従い、各受光素子を配列していけばよい。
【００３１】
なお、素子配列の手段は、上記二次関数を用いた近似に限定される必要はなく、さらに高次のべき関数、その他別の関数等の各種関数を用いた近似を行ってもよいし、実測データを元に、各受光素子を配置すべき場所を示す座標テーブルを作成し、座標テーブルに基づき、各受光素子を配置していくようにしてもよい。
【００３２】
本実施形態の受光部の受光素子の配置状態は、たる型であるが、後段のデジタル信号処理部２２は、従来の長方形状の受光部からデータを受け取った場合と全く同様の処理を行うことで処理を行うことが可能である。すなわち、デジタル信号処理部２２は、各曲線上に配置された受光素子が、従来の受光素子同様に格子状にハニカム配列で配置されていると考えて信号処理を行うことにより、特別な計算等を行うことなく、自動的に歪曲収差が補正された画像データを出力することとなる。
【００３３】
以上、本発明の第１実施形態によれば、単焦点レンズが取り付けられたデジタルカメラにおいて、受光部が樽型の形状を有する撮像部が用いられている。この樽型の形状は、単焦点レンズの歪曲収差の形状に対応しており、各受光素子は、あたかも歪曲収差が存在しない状態で受光すべき光を受光する。したがって、後段のデジタル処理部等において特別な計算を行うこと無く、歪曲収差を自動的に補正し、歪みのない綺麗な画像データを得ることが可能となる。したがって、計算に要する時間が短くなり、ストレスなく撮像を行い、モニターを用いてデータ確認を行うことができる。これにより、小型化、薄型化等により単焦点レンズに求められるレンズ性能が不十分であっても、歪曲収差のない画像を楽しむことが可能となる。
【００３４】
（第２実施形態）
以下、本発明に係る撮像装置の第２実施形態について説明する。図４は、第２実施形態の撮像装置であるデジタルカメラに用いられる撮像部５０を示す斜視図である。本実施形態におけるデジタルカメラ全体の構造は、図１に示したものと同一である。
【００３５】
撮像部５０は、中央部に配置された受光部５２を有するチップ５１であり、受光部５２に接続される配線等を封止した樹脂により封止されチップ５１として成型されている。受光部５２は、ハニカム配列で配列された複数のハニカム形状の受光素子を備えており、レンズ１１を介して入射した光を電気信号に変換する。受光素子の直上には、図示せぬマイクロレンズやＲＧＢのカラーフィルタが配置されており、各色に対応する光の強度を効率的に受光素子に送り込むことができるように構成されている。ここで、受光部５２は、複数の受光素子が縦横共に所定の曲線上に配置され、全体として糸巻き型形状を有している。
【００３６】
本実施形態の単焦点レンズ１１を用いたレンズ光学系には、正の歪曲収差が存在しており、図１０に示すように歪みのない画像を得ようとしても、そのまま画像として出力すると、図８に示すように糸巻き型の歪曲が生じてしまう。本実施形態の撮像部５０の受光部５２は、この歪曲を考慮して設計されており、撮像された画像のピクセル上のデータ点が歪みの無い場合に得られるであろう点となるように、撮像部５２上の画素の位置を歪ませて配置している。具体的な各受光素子の設計方法及びデジタル信号処理部２２の動作は、樽型を糸巻き型で置き換えたのみであり第１実施形態に記載したものと同一である。
【００３７】
以上、本発明の第２実施形態によれば、単焦点レンズが取り付けられたデジタルカメラにおいて、受光部が糸巻き型の形状を有する撮像部が用いられている。この糸巻き型の形状は、単焦点レンズの歪曲収差の形状に対応しており、各受光素子は、あたかも歪曲収差が存在しない状態で受光すべき光を受光する。したがって、後段のデジタル処理部等において特別な計算を行うこと無く、歪曲収差を自動的に補正し、歪みのない綺麗な画像データを得ることが可能となる。したがって、計算に要する時間が短くなり、ストレスなく撮像を行い、モニターを用いてデータ確認を行うことができる。これにより、小型化、薄型化等により単焦点レンズに求められるレンズ性能が不十分であっても、歪曲収差のない画像を楽しむことが可能となる。
【００３８】
（第３実施形態）
以下、本発明に係る撮像装置の第３実施形態について説明する。図５は、第３実施形態の撮像装置であるデジタルカメラに用いられる撮像部６０を示す斜視図である。本実施形態におけるデジタルカメラ全体の構造は、図１に示したものと同一である。
【００３９】
撮像部６０は、中央部に配置された受光部６２を有するチップ６１であり、受光部５２に接続される配線等を封止した樹脂により封止されチップ６１として成型されている。受光部６２は、ハニカム配列で配列された複数のハニカム形状の受光素子を備えており、レンズ１１を介して入射した光を電気信号に変換する。受光素子の直上には、図示せぬマイクロレンズやＲＧＢのカラーフィルタが配置されており、各色に対応する光の強度を効率的に受光素子に送り込むことができるように構成されている。ここで、受光部５２の形状は、長方形状であり、各受光素子は短片と長片とに平行となるようにハニカム配列で配置されている。
【００４０】
本実施形態の単焦点レンズ１１を用いたレンズ光学系には、正の歪曲収差または負の歪曲収差が存在しており、図１０に示すように歪みのない画像を得ようとしても、そのまま画像として出力すると、図８又は図９に示すように糸巻き型またはたる型の歪曲が生じてしまう。本実施形態の撮像部５０の受光部５２は、一般に、歪曲は、画像の中心部よりも画像の周辺部で強くなり、直線の歪み具合も多くなる。本実施形態では、この事実を考慮し、受光部６２を二つの受光領域６２ａと６２ｂに分けて構成している。
【００４１】
第１の受光領域６２ａは、受光部６２のほぼ中央に位置しており、受光素子４３は図６に示すように所定の受光素子配置密度で配列されている。一方、第２の受光領域６２ｂは、受光部６２の外縁部に第１の受光領域６２ｂに隣接して配置されている。第２の受光領域６２ｂでは、図７に示すように受光素子４３が第１の受光領域６２ａの受光素子配置密度よりも多く配置されている。
【００４２】
周縁部に相当する第２の受光領域６２には、中央部に位置する第１の受光領域よりも強く歪曲した光が入射する。第２の受光領域６２は、第１の受光領域より６２ｂも数多くの受光素子が配置されており、歪曲に応じて、歪曲に対応する形状上に位置する一部の受光素子のみから画像データ上のピクセルの値を求める。一方、中央部に位置する第１の受光領域６１では、すべての受光素子が画素配列に応じて集光を行う。
【００４３】
本実施形態によれば、受光部６２の中央と周縁で受光素子の密度を異ならせており、歪曲の大きい周縁での歪曲に対応して光から信号を取得するように構成している。そして、中央部では、受光素子配列に応じてすべての受光素子が集光を行い、一方、周縁部では、歪曲に対応する位置に存在する受光素子のみが集光を行う。従って、歪曲の影響が強い周縁部にて配置に応じた補正が自動的になされ、従来に比べて歪曲の少ない画像を得ることができる。本実施形態の補正は、特に周縁部にのみ強い歪曲が現れるレンズ光学系を有するデジタルカメラに適用した場合に、最も効果的である。
【００４４】
また、本実施形態の撮像部は、第１実施形態や第２実施形態の撮像部に比べ構造的に単純である。したがって、撮像部のコストをできるだけ上昇させることなく、歪曲の強い部分に応じた物理的な補正を行うことが可能である。
【００４５】
また、上記第１から第３実施形態においては、単焦点レンズを例に説明したが、これに限られることなく、ズームレンズにおいても上記受光部１２，５２，６２、またはこれらと同様の受光部をもちいることにより同様の効果を得ることが可能である。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、受光素子の配列は、レンズの歪曲収差の形状に対応しており、各受光素子は、あたかも歪曲収差が存在しない状態で受光すべき光を受光することができる。従って、後段のデジタル処理部等において特別な計算を行うこと無く、歪曲収差を自動的に補正し、歪みのない綺麗な画像データを得ることが可能となる。したがって、計算に要する時間が短くなり、ストレスなく撮像を行い、モニターを用いてデータ確認を行うことができる。これにより、小型化、薄型化等によりレンズに求められるレンズ性能が不十分であっても、歪曲収差のない画像を楽しむことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るデジタルカメラの第１実施形態を示す図である。
【図２】第１実施形態のデジタルカメラに用いられる撮像部を示す斜視図である。
【図３】従来の受光部と第１実施形態の受光部の関係を示す図である。
【図４】第２実施形態のデジタルカメラに用いられる撮像部を示す斜視図である。
【図５】第３実施形態のデジタルカメラに用いられる撮像部を示す斜視図である。
【図６】第１の受光領域を示す図である。
【図７】第２の受光領域を示す図である。
【図８】正の歪曲収差が存在する画像データの概念図である。
【図９】負の歪曲収差が存在する画像データの概念図である。
【図１０】歪曲収差が存在しない画像データの概念図である。
【符号の説明】
１０デジタルカメラ
１１レンズ
１２撮像部
１３増幅器
１４Ａ／Ｄコンバータ
２０バスライン
２１ＣＰＵ
２２デジタル信号処理部
２３圧縮処理部
２４記録媒体制御器
２５表示部
２６ＲＡＭ
３０記録媒体
４１，５１，６１チップ
４２，５２，６２受光部
４３受光素子
６２ａ第１の受光領域
６２ｂ第２の受光領域

Claims

レンズと、
前記レンズの焦点位置に配置され、前記レンズを介して被写体からの光を受光し、電気信号に変換する複数の受光素子を有する撮像素子と、を備え、
前記複数の受光素子は、前記レンズのディストーション特性に応じた形状に配列されていることを特徴とする撮像装置。
前記受光素子は、樽型に配置されたことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
前記受光素子は、糸巻き型に配置されたことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
前記複数の受光素子は、第１受光素子配置密度を有する中央領域と、前記中央部に隣接し、前記第１の受光素子配置密度とは異なる第２の受光素子配置密度を有する外縁領域とを備えたことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
前記レンズは、単焦点レンズであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の撮像装置。