JP4661606B2 - 屈曲光学系及び電子撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、屈曲光学系及び電子撮像装置に関するものである。

ディジタルカメラ等の電子撮像装置においては、汎用品として、小型、特に薄型の物が好まれるようになってきている。このような薄型ディジタルカメラの例として、入射した光を屈曲光学部により９０°折り曲げ、カメラの横方向に向かう光として、結像光学系の光軸をカメラの横方向に配置し、それによりカメラの厚さを薄くする方法が、例えば特開２００４−２１９５１６号公報（特許文献１）に記載されている。

この概要図を図３に示す。ディジタルカメラの筐体１０に入射した光は、屈曲光学部１１により９０°折り曲げられ、結像光学系１２により、被写体の像を、撮像素子１３の撮像面上に形成する。
特開２００４−２１９５１６号公報

しかしながら、図３を見ると分かるように、屈曲光学部１１の厚さ（奥行き）Ｄは、筐体１０の開口１４の直径と同じとなり、筐体１０の厚さをＤより薄くすることができない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、従来の屈曲光学系よりも薄い（奥行きの小さい）屈曲光学系、及びそれを使用した、厚さの薄い電子撮像装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、屈曲光学部と、入射瞳位置が同一位置にある複数の結像光学系と、画像処理装置と、を有し、前記屈曲光学部は、前記入射瞳位置に置かれて前記入射瞳を分割し、前記結像光学系は、分割された前記入射瞳を通過した分割された光を、それぞれ複数の撮像素子の複数の結像面上に結像させ、前記画像処理装置は、前記複数の結像面上に結像した像を画像処理し、前記複数の結像面に結像した像の対応する画素同士を比較することにより、ランダムノイズを除去する機能を有することを特徴とする屈曲光学系である。

前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記画像処理装置は、前記撮像素子の非有効画素からの出力を入力して、その入力値に基づき、熱ノイズを除去する機能を有することを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１または第２の手段のいずれかであって、前記画像処理装置は、前記分割された入射瞳の非等方性に起因して生じる解像度の異方性を補正するものであることを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段であって、前記屈曲光学部と前記撮像素子の間に、前記分割された入射瞳の非等方性に起因して生じる解像度の異方性を補正する光学系を有することを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第５の手段は、前記第１の手段から第４の手段のいずれかの屈曲光学系を有することを特徴とする電子撮像装置である。

本発明によれば、従来の屈曲光学系よりも薄い（奥行きの小さい）屈曲光学系、及びそれを使用した、厚さの薄い電子撮像装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を図を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態である屈曲光学系を有する電子カメラの概要を示す図である。筐体１の開口２を通過した光線は、屈曲光学部であるミラー３によって、入射方向に直角な２つの光線に分割される。ミラー３は、光線の入射方向に対して４５°傾いた２つの反射面を有するミラーである。

分割された２つの光線は、それぞれ、結像光学系４ａ、４ｂにより、物体の像を、撮像素子であるＣＣＤ５ａ、５ｂの撮像面に結像する。結像光学系４ａ、４ｂの入射瞳の位置は同一位置とされ、ミラー３は、この入射瞳の位置に置かれているので、ＣＣＤ５ａ、５ｂに結像する像は同一のものとなる。よって、ＣＣＤ５ａ、５ｂの対応する画素からの出力を加え合わせることにより、後に述べるように、従来のように１つの撮像素子で撮像を行ったときと、ほぼ同様の出力を得ることができる。又、図１から明らかなように、ミラー３の厚さは、筐体１の開口２の直径をＤとするとき、Ｄ／２でよくなり、従来のものに比して、その奥行きを薄くすることができる。よって、電子カメラの厚さを薄くすることができる。

なお、図１においては、光線を２分割する例を示しているが、２以上に分割してもよい。よって、以下の説明は、ｎ（ｎは２以上の整数）分割されているものとして行う。

瞳を分割して、分割した光束を結像させる個々の光学系は暗くなるためＳ／Ｎ比が低下するが、以下に示す方法によって瞳を分割する前のＳ／Ｎ比に近い値に回復できる。ここでは、信号及びノイズを次のように考える。

（信号）： 信号＝量子効率×感度×入射フォトン数
(1)量子効率…光電面で光が電子に変わる効率（％、ｍA/Ｗ）
(2)感度（ゲイン）…電子と電流比の調整で決まる→何倍にも調整できるが、感度を上げるとノイズも一緒に増えるためＳ／Ｎ比が上がるわけではない。

(3)入射フォトン数…ＣＣＤサイズと関係があり、画素サイズが大きいほど有利である。

（ノイズ）： 全ノイズ＝（Ｎ_ｒ ^２＋Ｎ_ｄ ^２＋Ｎ_ｓ ^２）^１／２
(1)Ｎ_ｒ：ランダムノイズ…感度に比例する。温度の影響小。露光時間と無関係。

(2)Ｎ_ｄ：熱ノイズ…感度にやや比例する。温度影響大。露光時間に比例。微弱光検出で高感度ＣＣＤカメラを用いる時には最大のノイズ源となる。

(3)Ｎ_ｓ：シリコン光電面で発生するノイズ…一般に光電面に入射する光量の平方根になる。

入射瞳を２分割する図１に示す実施の形態の場合、信号は1/2に低下するため感度を上げて撮像する。よってランダムノイズ・熱ノイズが増加する。ランダムノイズは、分割した光束を結像光学系４ａ、４ｂで結像して得られた画像を重ね合わせ、画像処理することで除去できる。分割して得られた２つの画像の同一位置に対応する画素の両方から出力が得られる場合には、有意な信号とノイズの区別が難しいが、分割して得られた画像の一方には出力が見られ、他方の画像には見られなければ、その出力はランダムノイズと判断できる。

すなわち、１つの処理方法の例を挙げると、ある画素に注目したとき、その画素の出力とその近傍の画素とを比較し、注目した画素に突出した出力がある場合には、他方のＣＣＤにおいても、同様な出力が現れているかどうかをチェックする。そして、他方のＣＣＤの出力の対応する画素には、突出した出力が現れていない場合には、突出した出力はノイズであるとして、その画素の出力を、他方のＣＣＤの対応する画素の出力に置き換える（他方のＣＣＤが２つ以上ある場合は、その平均値とする）。

ＣＣＤ検出器のある１画素で一定の露光時間でランダムノイズが発生する確率Ｐ_{ｒａｎｄｏｍ}はポアソン確率Ｐ_λ（ｘ）（ｘはポアソン過程で発生する事象の回数、λはポアソン過程における事象の平均回数）に従うと仮定すると、入射瞳を２分割した各光束を結像光学系４ａ、４ｂで結像して得られる画像中で、対象の同一位置に対応する画素でランダムノイズが同時に発生する確率はＰ_λ（ｘ）の二乗に比例する。分割数が増えるほど各画像中の同一位置に対応する画素で同時にランダムノイズが発生する確率は低下するため、ランダムノイズは高い精度で除去できる。

熱ノイズはＣＣＤ面の非有効画素部分にオプティカルブラック（光が入射しない部分）を設け、その画素からの出力を検出することで熱ノイズ量を見積る。こうして見積られたノイズ量をＣＣＤの各画素の出力値から差し引くことで熱ノイズを除去する。そして、分割された系の各ＣＣＤからで得られる信号値を求め、その信号値を対応する各画素について加算することで、瞳を分割することによって低下したＳ／Ｎ比を回復できる。

分割前に円形の開口を持っていた光束を２分割した場合、分割後の瞳形状は半円となるため、解像度の異方性が生じる。この解像度の異方性は、次の方法によって修正する。今、物界側に強度分布ｇ（ｘ’，ｙ’）（ただしｘ’，ｙ’は物界側の局所座標）を持つ物体が存在するとした場合、その像の像面上での強度分布ｉ（ｘ，ｙ）（ただしｘ，ｙは像面上の局所座標）は、

で与えられる。ここでｒ（ｘ，ｙ，ｘ’，ｙ’）は、分割後の瞳に対して結像光学系４ａ、４ｂが持つ点像分布関数であり、予めシミュレーションによる計算によって求めておくことができる。（１）式の両辺について２次元フーリエ変換Ｆをとると、

となる。ただし、変数ｓ，ｔは空間周波数である。（２）式を変形すると、

となる。

よって、結像光学系４ａ、４ｂで得られた画像のフーリエスペクトルを求め、分割後の瞳に対する結像光学系４ａ、４ｂの点像強度分布ｒ（ｘ，ｙ，ｘ’，ｙ’）のフーリエスペクトルで除し、得られた結果の２次元逆フーリエ変換を求めることによって、得たい物体の強度分布ｇ（ｘ’，ｙ’）を得ることができる。

図２は、本発明の第２の実施の形態である屈曲光学系を有する電子カメラの概要を示す図である。図２に示す実施の形態は、図１に示す実施の形態とは、変倍光学系６ａ、６ｂが設けられていることのみが違うだけであるので、図１に示された構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付してその説明を省略する。

図２に示す実施の形態においては、方向成分によって屈折力の異なる非球面をもつ変倍光学系６ａ、６ｂを結像光学系４ａ、４ｂの手前に配置することで、最も解像力がある方向の解像度に、各方向成分での解像度を合わせる。この方法の場合、方向成分によって変倍系の倍率が異なるため、画像のスケールが方向成分によって異なってくる。従って、画像は変形した状態で検出器面に得られるが、結像光学系４ａ、４ｂの歪曲も含めて、画像処理によって変形を補正することにより、正しい画像を得ることができる。

以上述べたいずれの実施の形態においても、屈曲光学部であるミラー３の入射側には光学系が無いものとして説明を行ったが、入射側に光学系を設ける場合には、その射出瞳の位置をミラー３の位置に合わせることが好ましい。これにより、この光学系の射出瞳と、結像光学系４ａ、４ｂ（この場合、ミラー３の入射側の光学系が結像光学系の一部を構成するときは、４ａ、４ｂも結像光学系の一部となる）の入射瞳の位置を同一位置とし、瞳による光線の蹴られを最小限とすることができる。

本発明の第１の実施の形態である屈曲光学系を有する電子カメラの概要を示す図である。 本発明の第２の実施の形態である屈曲光学系を有する電子カメラの概要を示す図である。 従来の屈曲光学系を用いたディジタルカメラの概要を示す図である。

符号の説明

１…筐体、２…開口、３…ミラー、４ａ，４ｂ…結像光学系、５ａ，５ｂ…ＣＣＤ、６ａ，６ｂ…変倍光学系

Claims (5)

1. 屈曲光学部と、入射瞳位置が同一位置にある複数の結像光学系と、画像処理装置と、を有し、前記屈曲光学部は、前記入射瞳位置に置かれて前記入射瞳を分割し、前記結像光学系は、分割された前記入射瞳を通過した分割された光を、それぞれ複数の撮像素子の複数の結像面上に結像させ、前記画像処理装置は、前記複数の結像面上に結像した像を画像処理し、前記複数の結像面に結像した像の対応する画素同士を比較することにより、ランダムノイズを除去する機能を有することを特徴とする屈曲光学系。
2. 前記画像処理装置は、前記撮像素子の非有効画素からの出力を入力して、その入力値に基づき、熱ノイズを除去する機能を有することを特徴とする請求項１に記載の屈曲光学系。
3. 前記画像処理装置は、前記分割された入射瞳の非等方性に起因して生じる解像度の異方性を補正するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の屈曲光学系。
4. 前記屈曲光学部と前記撮像素子の間に、前記分割された入射瞳の非等方性に起因して生じる解像度の異方性を補正する光学系を有することを特徴とする請求項１に記載の屈曲光学系。
5. 請求項１から請求項４のうち、いずれか１項に記載の屈曲光学系を有することを特徴とする電子撮像装置。

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