JP4969122B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば携帯電話機などの小型携帯端末機器に内蔵され、通常撮影および近接撮影の両方の撮影モードに対応した撮像装置に関するものである。

近年、例えば携帯電話などの小型携帯端末機器にも撮像装置（カメラモジュール）を搭載したものが普及し、簡易に写真撮影を行えるものが一般的になっており、撮像装置としては、撮影レンズの焦点距離に比べて略無限遠と見なせる距離の被写体を撮影するような通常撮影だけでなく、撮影レンズからの距離を１０ｃｍ程度まで近づけた被写体を撮影するような近接撮影の両方の撮影モードに対応し、この近接撮影モードにより、バーコードまたは文字を撮影し、それらの情報を認識する機能を有するものがある。

このように、バーコードまたは文字の認識を行う場合は、近接撮影としてバーコードまたは文字を大きく撮影するためにマクロ撮影する必要があり、このようなマクロ撮影が可能な従来の撮像装置（例えば、特許文献１を参照）として、バーコードまたは文字の認識を行うために、撮影状態を、例えば通常撮影モードでの撮影から近接撮影モードのマクロ撮影に切り替えた場合に、通常撮影に適した位置にある撮影レンズを、手動またはアクチュエータにより、光軸方向にマクロ撮影に適した位置まで移動して、この場合の被写体であるバーコードまたは文字に対してピントを合わせるように構成した撮像装置がある。
特開２００５−１２８５７８号公報

しかしながら上記のような従来の撮像装置では、例えば携帯電話などの小型携帯端末機器において、前述のように、マクロ撮影時に、撮影レンズを光軸方向にマクロ撮影に適した位置まで自動的に移動をさせる機構を組み込むことは、このような撮像装置を搭載する携帯機器のサイズおよびコスト等の面で制約が大きく、この制約を満足させることが課題であった。

一方、上記の制約を満足させるためにサイズおよびコストを優先させると、撮像装置に、撮影モードの切り替え時に撮影レンズを移動させる手段として、手動による移動機構を設けることが考えられるが、このように手動による移動機構を用いて撮影モードの切り替え時に撮影レンズを動かすものは、その操作性から機構配置に大きな制約が伴い携帯機器全体の機構設計に与える影響が大きく、また撮影モードの切り替え毎に手動で撮影レンズを動かす必要があり、操作性的にも不便であったり予め撮影モードに応じて適切に操作しておくことを忘れるなど、操作上の課題があった。

また、ここで対象としている撮像装置は、上記のように携帯機器に搭載されかつ撮影レンズの移動機構を備えた撮像装置であり、携帯機器を利用中に落下させることもあるため、この場合の落下衝撃にも、機械構造的に十分耐える高精度の機構が必要であるという課題もあった。

本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、通常撮影および近接撮影の両撮影モードを有する場合でも、撮影モードの切り替えに対しても撮影レンズの軸上位置を移動させる必要性をなくし、専用のレンズ駆動装置を設けることなく、非常に簡単な構造で通常撮影によるフルカラー撮影にも近接撮影による画像認識にも対応することができる撮像装置を提供する。

上記の課題を解決するために、本発明の撮像装置は、被写体に対応した輝度信号を出力する撮像素子と、前記撮像素子の撮像面に前記被写体の像を結像させる撮影レンズとを備え、前記撮影レンズからその焦点距離より十分離れた距離にある前記被写体を撮影する通常撮影と、前記通常撮影の時よりも前記撮影レンズに十分近接しかつ前記撮影レンズから前記焦点距離より離れた距離にある前記被写体を撮影する近接撮影とに対応した撮像装置であって、前記撮影レンズに、前記輝度信号に与える影響が大きい色である輝度色の光による結像位置と、前記輝度色よりも輝度信号に与える影響が小さい他の色の光による結像位置との差に相当する軸上色収差を設け、前記軸上色収差を、前記通常撮影時には前記輝度色の光による像が前記撮像素子上に結像し、かつ、前記近接撮影時には前記他の色の光による像が前記撮像素子上に結像するように設定するとともに、前記通常撮影時または前記近接撮影時には、常に前記他の色の光による像の情報に基づいてバーコード認証を行うよう構成したことを特徴とする。

以上により、フルカラー画像に対して、輝度色の光による像のみが結像していれば、人間の目には鮮明なカラー画像として認識されるという人間の視覚特性を、撮像素子の撮像面上に結像する画像に適用し、被写体からの入射光の予め設定した波長毎に所定位置に結像するように撮影レンズに設けた軸上色収差を利用して、撮像素子の撮像面上において、通常撮影時には輝度色以外の色の光による像は結像せずぼやけるが輝度色の光による像は結像し、近接撮影時には輝度色の光による像は結像せずぼやけるが輝度色以外の色の光による像は結像することにより、通常撮影時は、輝度色の光による像が結像しているため、フルカラー画像に対する人間の視覚特性を適用すれば、撮像素子からの出力信号による画像が人間の目には鮮明なカラー画像として認識され、近接撮影時は、フルカラー対応は無理であるが、輝度色以外の色の光による像が結像しているため白黒画像には対応可能で、特に白黒画像であるバーコードの認証機能に有効であるという撮像特性を用いれば、撮影レンズを軸上移動させることなく、通常撮影および近接撮影の各撮影モードに対応させることができる。

さらに、撮影を行えば、撮影モードに関係なく常に青色光を含む他の色の光による像の情報にてバーコード認識を行い、バーコード認証が成立すると、該バーコードの固有情報を取り込むことにより、バーコード認証を目的としない白黒マクロかフルカラーの通常撮影のどちらの撮影時でも、バーコード認証のための事前の特別な操作を行うことなくバーコードを認証することができる。

また、本発明の撮像装置は、前記軸上色収差を、前記通常撮影時において、撮像面位置における前記他の色の光による像の空間的分解能が、前記輝度色の光による像の空間分解能の１／２以上得られるような範囲内に設定したことを特徴とする。

以上により、通常撮影時のカラー画像をより鮮明化できる範囲を、容易にかつ適正に画定することができる。

また、本発明の撮像装置は、前記輝度色は緑色とし、前記他の色は青色としたことを特徴とする。

以上により、撮像素子からの輝度信号に与える影響が最も大きい緑色を輝度色とし、緑色による像よりも結像位置が撮影レンズに近くなる青色を他の色としたことにより、撮像素子用のカラーフィルタとして、フィルタ色を赤、緑、青の３色とした通常の撮像素子用カラーフィルタを、そのまま利用することができる。

なお、輝度色および他の色に対する設定色を変更する場合は、変更する設定色に対応させて撮像素子用カラーフィルタの各フィルタ色を変更すればよく、輝度色および他の色の設定色、特に他の色の設定色を任意に変更することができる。

以上のように本発明によれば、フルカラー画像に対する人間の視覚特性を、撮像素子の撮像面上に結像する画像に適用し、被写体からの入射光の予め設定した波長毎に所定位置に結像するように撮影レンズに設けた軸上色収差を利用して、通常撮影時には輝度色の光による像を撮像素子の撮像面上に結像し、かつ、近接撮影時には輝度色とは異なる他の色の光による像を撮像素子の撮像面上に結像することにより、撮影レンズを軸上移動させることなく、通常撮影および近接撮影の各撮影モードに対応させることができる。

以上により、通常撮影および近接撮影の両撮影モードを有する場合でも、撮影モードの切り替えに対しても撮影レンズの軸上位置を移動させる必要性をなくし、専用のレンズ駆動装置を設けることなく、非常に簡単な構造で通常撮影によるフルカラー撮影にも近接撮影による画像認識にも対応することができる。

その結果、通常撮影および近接撮影の両撮影モードを有する場合でも、各撮影モードに対応させるために従来必要であった撮影レンズの軸上移動用の駆動機構部を無くすことができ、より薄型化および小型化が可能でかつ落下等の衝撃に対する機械的強度も十分得られるカメラモジュールを実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を示す撮像装置について、図面を参照しながら具体的に説明する。
図１は本実施の形態の撮像装置における通常撮影時の光路説明図である。基本的に、本実施の形態の撮像装置（カメラモジュール）においては、図１に示すように、使用する撮影レンズＬは、一般的に短波長の屈折率が大きいことを利用し、軸上色収差δを残した撮影レンズであり、青色光Ｂｕの波長の結像面は、他の色の光（ここでは、緑色光Ｇｒ）の波長に比べ撮影レンズＬに近く位置している。言い換えれば、撮像素子の撮像面Ｃｐと撮影レンズＬの位置関係を変えなければ、近距離にピントが合うことになる。

この距離でマクロ撮影を行い、青色光Ｂｕによる像の情報を利用すれば、ピントの合った画像を得ることができ、画像認識が可能となる。この撮影レンズＬに求められる性能として、軸上色収差δにより、青色光Ｂｕの結像面の位置は、マクロ撮影の距離にピントの合う位置である。撮影レンズＬのｆ値（焦点距離）は、前記のように、通常カラー撮影時に、当該色光による像の結像位置による画質の劣化が許容できる値との関係で決められる。

ここで、通常のカラー撮影について、説明する。
画像保存時にデータを圧縮する場合、一般的には、人間の目の特性を利用して、画像信号の輝度信号に対し、色情報の空間的分解能を低くして圧縮する。また、画像信号として一般的なＹＵＶ信号も１画素に１個の輝度信号に対し、色情報は、２画素１対の色差信号としている。圧縮率の高い画像保存では、さらに顕著になる。言い換えれば、輝度信号の空間的分解能を維持していれば、色情報は、半分（１／２）以下の空間的分解能にもかかわらず、視覚的には影響が無いものと考えられる。

なお、ここでは、緑色光Ｇｒによる像の情報は、視覚的に輝度情報の大きな部分を占めるため、輝度情報の最適結像面を、緑色光Ｇｒによる結像面に置き換えて説明する。詳細なレンズ解析ソフト等を使用し、色収差を含め最適化することは言うまでもない。

本発明は、この原理を利用したもので、色光の波長による結像位置の差を故意に作り、さらに、撮影レンズＬのｆ値は、通常撮影において、画像圧縮まで考慮し、色収差による画質劣化を許容できる範囲との関係で決めるようにしている。

以下、本実施の形態の撮像装置の具体構成例を説明する。
まず、通常撮影モードによる通常撮影について、図面を用いて説明する。図１に示す撮像装置において、撮像素子（図示せず）に関しては、

画素の大きさ ：２．８μｍ
画素数 ：１０２４＊１２８０

とし、撮影レンズＬに関しては、

焦点距離 ：ｆ＝３．２ｍｍ
Ｆ値 ：４

とする。

通常撮影時の緑色光Ｇｒによる最良の結像位置（撮像素子の撮像面Ｃｐの位置）と青色光Ｂｕによる結像位置との差は、

δ＝４４μｍ

となり、青色光Ｂｕの結像面は、基準波長による結像面（緑に近いため、以後「緑色光Ｇｒの結像面」と記載）より、４４μｍだけ撮影レンズＬに近い位置にある。

さらに、通常撮影について、具体的数値を提示して説明する。
このときのナイキスト周波数は、１／（２．８μｍ＊２）（≒１８０本／ｍｍ（ＬＰ））であるが、輝度情報分解能としては、ナイキスト周波数に基づいて、その半分の９０本／ｍｍ（ＬＰ）以上必要と仮定する。

この場合、色光の情報は、前記のように輝度信号情報の半分以下で良く、例えば、１／２とすると、

色情報分解能＝輝度情報／２＝４５本／ｍｍ（ＬＰ）

であり、上記値は、ＬＰ（ラインペア）であるので、青色光Ｂｕによる像の許されるボケ量は、

青の許容錯乱円＝１／（４５＊２）＝１１μｍ

となり、つまり青の錯乱円φは１１μｍに相当する。

従って、青色光Ｂｕと緑色光Ｇｒとによる結像位置の差は、

結像位置の差γ＝（Ｆ＊錯乱円φ）＝（４＊１１μｍ）＝４４μｍ

となる。言い換えれば、青色光Ｂｕの結像面が緑色光Ｇｒの結像面より４４μｍ撮影レンズＬ側にあるが、撮像素子の撮像面Ｃｐにおいては、視覚的な劣化が少なく良好な画像を得ることができる。さらに画像データを圧縮する場合においては、さらに画質劣化が少なくなることは容易に推測できる。

以上の説明により、色光により結像位置が異なる撮影レンズＬを使用した場合においても、視覚的画像劣化を最小限にすることが可能である。
次に、近接撮影モードによるマクロ撮影について、図面を用いて説明する。なお、前述の通常撮影においても、ピントの最良位置は、無限を許容されるボケ量になるように有限距離で設定するのが、固定焦点カメラで行われている。

図２は本実施の形態の撮像装置におけるマクロ撮影時の光路説明図である。
前記例では、ピントの最良位置は、６００ｍｍと仮定し、このとき、理想レンズの場合は、

無限での錯乱円 ：φ＝５．６μｍ
レンズ繰り出し量 ：λ＝ １７μｍ

であり、問題ないことがわかる。

この撮影レンズＬを使い、マクロ撮影を行うが、青色光Ｂｕの結像面の位置は緑色光Ｇｒに比べ、４４μ手前の撮影レンズＬ側にある。言い換えると４４μｍ繰り出された状態にある。

通常撮影での繰り出し量とあわせると、

青色画像における撮影レンズＬの繰り出し量λ＝１７＋４４μｍ

となり、この繰り出し量での最良のピント位置は、

撮影距離＝ｆ＾２／λ＝（３．２＊３．２）／６１μｍ＝１６７ｍｍ

となる。

以上の構成のＭＴＦ測定結果を図３乃至図５に示す。
図３は本実施の形態の撮像装置における撮影レンズのカラー通常撮影時のＭＴＦ説明図である。図４は本実施の形態の撮像装置における撮影レンズのマクロ撮影１１０ｍｍでの青のＭＴＦ説明図である。図５は本実施の形態の撮像装置における撮影レンズのマクロ撮影１１０ｍｍでのカラーのＭＴＦ説明図である。図６は本実施の形態の撮像装置における撮影レンズの倍率色収差の説明図である。

以上のように、マクロ撮影距離Ｍｋ＝１６７ｍｍにおいて、青色光Ｂｕについては、撮像素子の撮像面Ｃｐでピントが合っている画像を得ることができる。言い換えれば、青色光Ｂｕの情報のみを使うことにより、この距離で青色光Ｂｕにピントの合った撮影ができ、この撮影によってバーコードや文字画像を得ることができ、画像認識が撮影レンズＬを繰り出すこと無く確実に行うことができる。

なお、この場合のマクロ撮影では、当然のことであるが、得られたそのままの画像では、良好なカラー画像を得ることは難しく、あくまでもバーコードや文字画像に対する画像認識用の単色画像である。

ここで、上記の撮像装置において、撮影レンズに設ける軸上色収差（青色光Ｂｕと緑色光Ｇｒの結像位置の差）δの具体的な求め方を、図面を用いて説明する。
図７は本実施の形態の撮像装置における撮影レンズＬの結像公式の説明図である。図８は本実施の形態の撮像装置における「撮影レンズＬの焦点距離」（ｆ）に対する「撮影レンズＬ−被写体間距離」（ａ）と「撮影レンズＬ−結像位置間距離」（ｂ）との関係説明図である。

具体的には、図７に示す青色光Ｂｕと緑色光Ｂｒの結像位置の差（軸上色収差）δを、撮影レンズＬの焦点位置ｆから被写体の位置Ｍｐまでの距離が、図１（通常撮影時）に示す通常撮影距離Ｔｋ時と図２（マクロ撮影時）に示すマクロ撮影距離Ｍｋ時における緑色光Ｇｒの結像位置の移動量に略一致するように設定する。

この場合の撮影距離の変化に対する緑色光Ｇｒの結像位置の移動量は、「撮影レンズの焦点距離」を（ｆ）、「撮影レンズ−被写体間距離」を（ａ）、「撮影レンズ−結像位置間距離」を（ｂ）として、図７に示す式、

１／ｆ＝１／ａ＋１／ｂ

を用いて、ａに対するｂを算出することにより、「撮影レンズの任意焦点距離」（ｆ）において、図８に示すような「撮影レンズ−被写体間距離」（ａ）と「撮影レンズ−結像位置間距離」（ｂ）との関係が得られ、所定の「撮影レンズ−被写体間距離」（ａ）に対する「撮影レンズ−結像位置間距離」（ｂ）を用いて、求めることができる。

本実施の形態の撮像装置に必要な撮影レンズは、前述のようにして求めた所定の軸上色収差δが得られるような撮影レンズであり、そのような撮影レンズの詳細な設計には、例えば撮影レンズ設計用として従来から一般的に利用されているレンズ解析ソフト等を使用するが、この撮影レンズの設計に際しては、色収差まで考慮し、さらに図３、図４、図５に示すようなＭＴＦ等を考慮して各バランスを設定することは、言うまでもない。

また、このような波長により結像位置の異なる撮影レンズは、波長により順に結像位置が移動するのが一般的であり、この性質を利用して、例えば青と緑の情報を平均化すれば、マクロ撮影時と通常撮影時における各撮影レンズ位置の中間位置でピントの合った画像データを得ることも可能である。また、撮像素子からの色別のデータにそれぞれ重み付けを行って演算することにより、任意の距離にピントの合った画像データを得ることができる。

また、現在、撮像装置に使用されている撮像素子には、原色のベイヤーパターンを使ったものが多いが、この組み合わせでは、撮像素子からの信号が、すでに色情報の空間的分解能を下げているため、本発明の効果に制限を受ける場合がある。

これに対し、撮像素子用のカラーフィルタとして、補色フィルタを使用することにより、原色フィルタのベイヤーパターンを使用した物に比べ、青の成分が２色のフィルタを通してセンサに入るため、空間的分解能を高くすることができる。

さらには、（フェイボン）センサに代表されるように、撮像素子では、色による空間的分解能を落とすことなく出力し、後段の信号処理で、色の空間的分解能を落とすシステムがより効果を出しやすい。

また、本発明に使用する撮影レンズは、軸上色収差としてはコントロールされた量が残されているが、図６に示すような倍率色収差は良好に補正されていなければ、周辺において色ずれを起こし、カラー画質を大きく損なうことになるので、このような軸上色収差のコントロールと、倍率色収差の良好な補正とを両立するように設計する必要がある。

以上のように本実施の形態によれば、フルカラー画像に対して、輝度色の光による像のみが結像していれば、人間の目には鮮明なカラー画像として認識されるという人間の視覚特性を、撮像素子の撮像面上に結像する画像に適用し、被写体からの入射光の予め設定した波長毎に所定位置に結像するように撮影レンズに設けた軸上色収差を利用して、撮像素子の撮像面上において、通常撮影時には輝度色以外の色の光による像は結像せずぼやけるが輝度色の光による像は結像し、近接撮影時には輝度色の光による像は結像せずぼやけるが輝度色以外の色の光による像は結像することにより、通常撮影時は、輝度色の光による像が結像しているため、フルカラー画像に対する人間の視覚特性を適用すれば、撮像素子からの出力信号による画像が人間の目には鮮明なカラー画像として認識され、近接撮影時は、フルカラー対応は無理であるが、輝度色以外の色の光による像が結像しているため白黒画像には対応可能で、特に白黒画像であるバーコードの認証機能に有効であるという撮像特性を用いれば、撮影レンズを軸上移動させることなく、通常撮影および近接撮影の各撮影モードに対応させることができる。

以上により、通常撮影および近接撮影の両撮影モードを有する場合でも、撮影モードの切り替えに対しても撮影レンズの軸上位置を移動させる必要性をなくし、専用のレンズ駆動装置を設けることなく、非常に簡単な構造で通常撮影によるフルカラー撮影にも近接撮影による画像認識にも対応することができる。

その結果、通常撮影および近接撮影の両撮影モードを有する場合でも、各撮影モードに対応させるために従来必要であった撮影レンズの軸上移動用の駆動機構部を無くすことができ、より薄型化および小型化が可能でかつ落下等の衝撃に対する機械的強度も十分得られるカメラモジュールを実現することができる。

本発明の撮像装置は、通常撮影および近接撮影の両撮影モードを有する場合でも、撮影モードの切り替えに対しても撮影レンズの軸上位置を移動させる必要性をなくし、専用のレンズ駆動装置を設けることなく、非常に簡単な構造で通常撮影によるフルカラー撮影にも近接撮影による画像認識にも対応することができるものであり、カメラモジュールを搭載した携帯電話などの小型携帯端末機器の分野において特に有用である。

本発明の実施の形態の撮像装置における通常撮影時の光路説明図 同実施の形態の撮像装置におけるマクロ撮影時の光路説明図 同実施の形態の撮像装置における撮影レンズのカラー通常撮影時のＭＴＦ説明図 同実施の形態の撮像装置における撮影レンズのマクロ撮影１１０ｍｍでの青のＭＴＦ説明図 同実施の形態の撮像装置における撮影レンズのマクロ撮影１１０ｍｍでのカラーのＭＴＦ説明図 同実施の形態の撮像装置における撮影レンズの倍率色収差の説明図 同実施の形態の撮像装置における撮影レンズの結像公式の説明図 同実施の形態の撮像装置における撮影レンズの焦点距離（ｆ）に対する撮影レンズ−被写体間距離（ａ）と撮影レンズ−結像位置間距離（ｂ）との関係説明図

符号の説明

ａ 撮影レンズ−被写体間距離
ｂ 撮影レンズ−結像位置間距離
ｆ 撮影レンズの焦点距離
Ｂｕ 青色光
Ｃｐ 撮像素子の撮像面
Ｇｒ 緑色光
Ｌ 撮影レンズ
Ｌｐ 撮影レンズの位置
Ｍｋ マクロ撮影距離
Ｍｐ 被写体の位置
Ｔｋ 通常撮影距離
δ 青と緑の結像位置の差（軸上色収差）
λ レンズ繰り出し量
φ 青の錯乱円

Claims (3)

1. 被写体に対応した輝度信号を出力する撮像素子と、前記撮像素子の撮像面に前記被写体の像を結像させる撮影レンズとを備え、
   前記撮影レンズからその焦点距離より十分離れた距離にある前記被写体を撮影する通常撮影と、前記通常撮影の時よりも前記撮影レンズに十分近接しかつ前記撮影レンズから前記焦点距離より離れた距離にある前記被写体を撮影する近接撮影とに対応した撮像装置であって、
   前記撮影レンズに、前記輝度信号に与える影響が大きい色である輝度色の光による結像位置と、前記輝度色よりも輝度信号に与える影響が小さい他の色の光による結像位置との差に相当する軸上色収差を設け、
   前記軸上色収差を、前記通常撮影時には前記輝度色の光による像が前記撮像素子上に結像し、かつ、前記近接撮影時には前記他の色の光による像が前記撮像素子上に結像するように設定するとともに、
   前記通常撮影時または前記近接撮影時には、常に前記他の色の光による像の情報に基づいてバーコード認証を行うよう構成した
   ことを特徴とする撮像装置。
2. 前記軸上色収差を、
   前記通常撮影時において、撮像面位置における前記他の色の光による像の空間的分解能が、前記輝度色の光による像の空間分解能の１／２以上得られるような範囲内に設定した
   ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記輝度色は緑色とし、前記他の色は青色とした
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の撮像装置。

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