JP5699561B2 - 撮像装置 - Google Patents
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Description
例えば、Geレンズは一枚1万円〜5万円であり、レンズを2枚から5枚組にして使用している。そのため、必要な解像度にもよるが、レンズ群だけでトータル2万円〜25万円ものコストになってしまう。
現状のGeレンズに使用されるゲルマニウムは希少金属であり、市場流動量が非常に少ないために、材料単価が5万円〜18万円/kgと非常に高価である。
Siレンズは、Geレンズよりは廉価であるが、遠赤外領域(8〜14μm)での透過率が落ちるために、サーモグラフィには不向きである。
この中空構造が必要とされる理由は、熱型の赤外線センサであり、かつVOx素子の感度が低いので、回路系の自己発熱等によるノイズレベルとのS/Nが悪く、熱絶縁のために中空構造にせざるを得ないからである。
VOxは、希少金属であり、さらに、中空構造を作るための製造工程数が多くなるために、製造コストがかさみ、マイクロボロメータが高価になる原因となっている。
さらに、テラヘルツ波用の撮像装置に至っては、殆ど生産されていないのが実情である。
これは、焦電素子は温度変化に応じてその出力が変化するため、静定している対象物は検出できないからである。
例えば、図27に示すように、焦電素子を使用したイメージャ(撮像素子)103の前に、遮光材として、開口102を有する円形の光チョッパー101を配置する。そして、一点鎖線で示す中心線を回転軸として、光チョッパー101を回転させることにより、光Lがイメージャ103に照射されたり、遮光されてイメージャ103には照射されなくなったりする。これにより、入射する光Lに対して、イメージャ103の焦電素子から出力を得て、被写体の画像を得ることができる。
すなわち、本発明の撮像装置は、複数個の画素を有する撮像素子と、上記撮像素子における一部の画素に対して電磁波が照射され且つ上記一部の画素以外の画素に対して上記電磁波が遮蔽される一部画素選択照射状態が、上記電磁波が照射される上記一部の画素を逐次変更しながら時分割的に得られるように、上記撮像素子に対する上記電磁波の照射/遮蔽を行う照射/遮蔽部とを備え、上記照射/遮蔽部は、開口部が形成された遮蔽材を往復運動させて上記撮像素子に対する上記電磁波の照射/遮蔽を行い、上記照射/遮蔽部により上記電磁波が照射状態とされた画素で得られる輝度の値を時分割的に取得し、それら取得した値に基づいて1フレーム分の撮像画像信号を得る画像信号取得部をさらに備え、上記撮像素子における上記複数個の画素が少なくとも第1の画素と第2の画素との2種に分類されており、上記画像信号取得部は、上記照射/遮蔽部により上記第1の画素が照射状態となり且つ上記第2の画素が遮蔽状態となったときの上記第1の画素の輝度のピーク値と上記第2の画素の輝度のピーク値との差分を第1差分値として計算し、且つ上記照射/遮蔽部により上記第1の画素が遮蔽状態となり且つ上記第2の画素が照射状態となったときの上記第1の画素の輝度のピーク値と上記第2の画素の輝度のピーク値との差分を第2差分値として計算すると共に、上記第1差分値と上記第2差分値とに基づいて1フレーム分の撮像画像信号を得るものである。
また、本発明の別の撮像装置は、複数個の画素を有する撮像素子と、上記撮像素子における一部の画素に対して電磁波が照射され且つ上記一部の画素以外の画素に対して上記電磁波が遮蔽される一部画素選択照射状態が、上記電磁波が照射される上記一部の画素を逐次変更しながら時分割的に得られるように、上記撮像素子に対する上記電磁波の照射/遮蔽を行う照射/遮蔽部とを備え、上記照射/遮蔽部は、開口部が形成された遮蔽材を往復運動させて上記撮像素子に対する上記電磁波の照射/遮蔽を行い、上記遮蔽材において、上記開口部は、上記往復運動に伴い上記撮像素子の一部の行又は列に選択的に上記電磁波を照射可能に形成されており、上記照射/遮蔽部は、上記遮蔽材を往復させる範囲を逐次変更しながら上記撮像素子に対する上記電磁波の照射/遮蔽を行い、上記遮蔽材における上記開口部のうち最上部又は最右部に形成された第1の開口部の上端又は右端が上記撮像素子の有効画素範囲の上端又は右端に位置する第1の駆動状態と、上記開口部のうち最下部又は最左部に形成された第2の開口部の下端又は左端が上記有効画素範囲の下端又は左端に位置する第2の駆動状態と、上記第1の開口部の上端又は右端が上記有効画素範囲の上端よりも上側又は右端よりも右側に位置する第3の駆動状態と、上記第2の開口部の下端又は左端が上記有効画素範囲の下端よりも下側又は左端よりも左側に位置する第4の駆動状態とが得られるようにして上記遮蔽材を往復運動させるものである。
さらに、本発明の別の撮像装置は、複数個の画素を有する撮像素子と、上記撮像素子における一部の画素に対して電磁波が照射され且つ上記一部の画素以外の画素に対して上記電磁波が遮蔽される一部画素選択照射状態が、上記電磁波が照射される上記一部の画素を逐次変更しながら時分割的に得られるように、上記撮像素子に対する上記電磁波の照射/遮蔽を行う照射/遮蔽部とを備え、上記照射/遮蔽部は、開口部が形成された遮蔽材を往復運動させて上記撮像素子に対する上記電磁波の照射/遮蔽を行い、上記遮蔽材において、上記開口部は、上記往復運動に伴い上記撮像素子の一部の行又は列に選択的に上記電磁波を照射可能に形成されており、上記照射/遮蔽部は、所定の期間ごとに上記遮蔽材の往復範囲を上下方向又は左右方向に一往復させるように上記遮蔽材を往復運動させ、上記所定の期間ごとに、各画素の輝度の値を積分又は平均化し、それら積分又は平均化した各輝度の値に基づいて1フレーム分の撮像画像信号を得る画像信号取得部をさらに備えるものである。
さらにまた、本発明の別の撮像装置は、複数個の画素を有する撮像素子と、上記撮像素子における一部の画素に対して電磁波が照射され且つ上記一部の画素以外の画素に対して上記電磁波が遮蔽される一部画素選択照射状態が、上記電磁波が照射される上記一部の画素を逐次変更しながら時分割的に得られるように、上記撮像素子に対する上記電磁波の照射/遮蔽を行う照射/遮蔽部とを備え、上記照射/遮蔽部は、開口部が形成された遮蔽材を往復運動させて上記撮像素子に対する上記電磁波の照射/遮蔽を行い、上記電磁波が照射される画素の輝度平均出力又は輝度合計出力の微分値の反転箇所と、上記電磁波が遮蔽される画素の輝度平均出力又は輝度合計出力の微分値の反転箇所とを検出することにより、上記遮蔽材の駆動の反転位置が制御されるものである。
このようにすることで、上記電磁波を遮蔽するための構成としては、時間経過と共に遮蔽する画素を変化させることのできるものであれば足るものとでき、例えば上記撮像素子に近い大きさの遮蔽材(シャッタ部材)や液晶シャッタ等、従来の光チョッパー101に比べて非常に小型なものを用いることができる。
この結果、撮像装置の小型化が図られる。
なお、説明は以下の順序で行う。
<1.第1の実施の形態(単純往復運動&単純出力)>
[1-1.第1例(市松状配列)]
[1-2.第2例(縞状配列)]
[1-3.第3例(クリアビット配列)]
[1-4.第4例(複数行単位配列)]
<2.第2の実施の形態(単純往復&差動出力)>
<3.第3の実施の形態(往復範囲可変:開口部境界付近の画像ボケ抑制)>
<4.第4の実施の形態(往復範囲可変:駆動方向反転時の出力差抑制)>
<5.変形例>
[1-1.第1例(市松状配列)]
図1は、本発明の第1の実施の形態における第1例としての撮像装置の概略構成図(斜視図)を示している。
ここで、以下の説明においては、電磁波として赤外線を撮像の対象とする撮像装置に本発明が適用される場合を例示する。
イメージャ3は、焦電素子を用いた撮像素子によって構成され、矩形の画素が縦横に碁盤の目状に配置されている。ここでは、画素を、Aのグループの画素12とBのグループの画素13とに分けており、Aのグループの画素(以下、A画素とする)12及びBのグループの画素(以下、B画素とする)13が、交互に市松状に配置されている。
焦電素子の材料としては、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等の自発分極を持つ材料を使用することができる。
焦電素子においては、光の入射により自発分極の変化に対応した電荷が得られるので、この電荷を電荷電圧変換して、電圧信号(輝度値)を得る。
本例の場合、開口部21Aのサイズは、イメージャ11の画素サイズとほぼ同じサイズ又はやや小さいサイズである。
遮蔽材21は、開口部21Aとそれ以外の部分とが、交互に市松状に配置されている。
これにより、コイル22に電流を流すことによって発生した電流磁場を利用して、マグネット23からの磁場との作用により、遮蔽材21を左の矢印に示すように、上下に駆動させることができる。即ち、コイル22及びマグネット23によって、VCM(ヴォイスコイルモータ)を構成している。
遮蔽材21の四隅には、それぞれ、ワイヤーサスペンション24の一端が接続されており、各ワイヤーサスペンション24の他端に板状のサスペンションホルダ25が接続されている。
4本のワイヤーサスペンション24のうち、少なくても一本は+電極となっており、別の少なくても一本は−電極となっており、これらの電極を通じて、コイル22へ通電を行うことができる。これにより、コイル22に対峙するマグネット23の磁界に対して、電磁誘導により、遮蔽材21の駆動を行うことができる。
本例においては、遮蔽材21を上下に往復運動させる。このことにより、A画素12が開口部21Aに臨む第1の状態(図3(a))と、B画素13が開口部21Aに望む第2の状態とが繰り返し得られるものとなる。
第1の状態では、A画素12に電磁波が入射し、B画素13には電磁波が入射しない。また第2の状態では、B画素13に電磁波が入射し、A画素12には電磁波が入射しない。
このように、遮蔽材21の移動量が約1画素分であるため、駆動する方向における遮蔽材21の大きさは、少なくともイメージャ11の大きさ+1画素分で済み、撮像装置を小型化できる。
確認のため述べておくと、この場合、遮蔽材21の駆動に必要なスペースは、遮蔽材21の大きさ+1画素分(=イメージャ11の大きさ+2画素分)で済み、この点でも省スペースが図られることになる。
図4の上側はA画素12の生出力を示し、下側はB画素13の生出力を示している。なお図4において、0Vは基準の電圧である。
先ず、期間P1は、開口部21AがB画素13上に位置した状態(つまりB画素13が照射状態)で遮蔽材21が静定している期間である。この期間P1としての静定状態では、被写体が動かない限り、電荷は出ず、電荷電圧変換後も0Vとなる。
一方、B画素13は電磁波が徐々に低下していくため、その出力は0Vから徐々に−方向へ低下していき、遮蔽材21により完全に遮蔽されたタイミングでピーク値(負のピーク値)を迎える。
このとき、A画素12の入射光輝度は、「被写体の温度からの電磁波−遮蔽材21の温度からの電磁波」に相当する。また、B画素13の遮蔽時輝度は、「遮蔽材21の温度からの電磁波−被写体の温度からの電磁波」に相当するものである。
これによっては、期間P2とは逆に、A画素12の出力は徐々に低下していき遮蔽材21により当該A画素12が完全に遮蔽されたタイミングでピーク値(負のピーク値)を迎える。また、B画素13の出力は徐々に上昇していき、開口部21Aにより当該B画素13が完全な照射状態となったタイミングでピーク値(正のピーク値)を迎える。
また、B画素13が完全に照射状態となる期間P5,P7ではB画素13の出力が徐々に上昇して正のピーク値が得られ、またA画素12の出力が徐々に低下して負のピーク値が得られるようになる。
なお図4において、遮蔽材21の往復運動は期間P8までであり、期間P9においてはA画素12及びB画素13の出力が共に0Vとなることが示されている。
具体的には、遮蔽材21の往復運動に伴い図4のように得られるA画素12、B画素13の出力電圧について、それぞれ、その正のピーク値の検出を行い、当該検出したA画素12、B画素13の正のピーク値を用いて撮像画像信号を得るものである。
しかしながら、撮像のフレームレートは、焦電センサとしてのイメージャ3の検出感度を大きく左右するものとなるので、実際に設定される出力のフレームレートとの関係によっては、撮像のフレームレート=出力のフレームレートとすることが困難となる場合もある。
図5(a)に示すように、チョッパー周波数が高くなると、焦電素子の特性として、焦電素子の出力電圧も増大する。これにより、イメージャ3の感度も向上するため、更なる高感度化が実現される。
なお、図5(b)には、図5(a)よりもさらに広い範囲の周波数における、周波数と焦電素子の電荷電圧変換後の出力電圧との関係を示しているが、当該図5(b)を参照して分かるように、周波数が高くなることによる出力電圧の増大には限界があり、ピークを過ぎると出力電圧が減少していき、108Hz(=100MHz)以上では出力電圧がほとんど得られなくなる。104Hz(=10kHz)程度の周波数までは、25μV以上の大きい出力電圧が得られる。
図5(a)を参照すると、仮に、出力フレームレートを30Hzや60Hzとすべき場合には、前述のように撮像フレームレート=出力フレームレートとしてしまうと、感度の比較的低い領域でイメージャ3を使用することとなってしまう。
この点を考慮すると、撮像フレームレートとしては、例えば120Hz以上などの比較的高い周波数に設定しておき、30Hzや60Hzといった一般的な出力フレームレートに対応させるために、何らかの工夫を凝らすことが有効となる。
例えば、出力フレームレートF=30Hzであるとして、撮像フレームレートを120(4×F)Hzに設定し、4回分得られるA画素12の出力、B画素13の出力をそれぞれ積分又は平均化する。そして、当該積分又は平均化により得られた各画素の値で構成される撮像画像信号を、1フレーム分の画像信号として出力する。
これにより、従来のマイクロボロメータを用いた場合と比較して、イメージャ3を安価で構成することができるので、撮像装置全体の価格も大幅に低減することができる。
このように撮像装置全体の価格を大幅に低減することができることにより、撮像装置の使用用途を、従来の限定的な研究及び産業用途から、様々なアプリケーションの民生用に普及させることが可能になる。そして、民生用途において、従来にないアプリケーションを実現することが可能になる。
このようにすることで、遮蔽材21としてはイメージャ3に近い大きさのものとすることができ、従来の光チョッパー101を用いる場合より撮像装置を小型化できる。
すなわち、遮蔽材21の近傍に当該遮蔽材21の温度を検出するための温度センサやサーミスタを設け、その検出温度に基づき、イメージャ3により検出される上記相対的な温度を校正するというものである。
先ず、撮像装置には、撮像レンズ1が設けられる。
撮像レンズ1の材料は、対象とする電磁波を透過する材料であれば、特に限定されない。
本例のように対象とする電磁波が赤外線である場合、従来提案されているGeレンズやSiレンズの他に、これらのレンズより安価な材料からなり、赤外線を透過させることが可能なレンズを使用することもできる。また、今後開発される赤外線用のレンズ材料も使用することが可能である。
先の図1に示したように、シャッタ部2には遮蔽材21が設けられるが、当該遮蔽材21としては、撮像の対象とする電磁波を遮蔽する材料で構成されたものを用いる。
具体的に本例の場合、遮蔽材21の往復範囲は1画素分、往復周期はn×F(前述もしたようにFは出力フレームレート)=120Hzである。制御部8は、これら往復範囲及び往復周期による遮蔽材21の駆動が実現されるように設定された上記駆動信号を、シャッタ部2に対して供給する。
サンプリング部5は、上記各画素の電圧信号についてピーク検出(本例の場合は正のピーク値の検出)を行う。そして、検出した各画素のピーク値を平均化部6に出力する。
そして、このような平均化により各画素ごとに得られた値を、1フレーム分の撮像画像信号として信号処理部7に出力する。
信号処理部7からの出力は、図示しないがインターフェース等を介して、撮像装置の外部のディスプレイ(画像表示装置)等に送られる。
図示するように温度センサ4による検出温度値は制御部8に供給される。
具体的には、温度センサ4から供給された温度値を信号処理部7に与えることで、当該信号処理部7に各画素の値を絶対的な温度を表す値に調整させるものである。
ここで、上記により説明した第1例では、A画素12とB画素13とが市松状に配列されたものとするべく、遮蔽材21における開口部21Aを、当該開口部21Aと開口部21A以外の部分とが市松状に配置されるように形成するものとしたが、A画素12とB画素13の配列態様は、縞状の配列となるようにすることもできる。
なお、以下の説明において、既に説明済みとなった部分については同一符号を付して説明を省略する。
図示するように遮蔽材31は、電磁波を通過させるスリット状の開口部31Aと、その他の開口部31Aではない部分とを有している。
開口部31Aは、イメージャ3の画素の1行分のサイズと同じサイズ又はやや小さいサイズに設定されており、遮蔽材31においては、図のように開口部31Aとそれ以外の部分とが、1行毎に交互に縞状に配置されている。
このような遮蔽材31に対応しては、イメージャ3において、A画素12とB画素13とが1行ずつ交互に縞状に配列されるものとなる。
この場合も、遮蔽材31を上下に往復駆動することにより、A画素12が開口部31Aにより照射状態となる第1の状態(図9(a))と、B画素13が開口部31Aにより照射状態となる第2の状態(図9(b))とが繰り返される。
この場合としても、第1の状態と第2の状態との間の遷移での、遮蔽材31の移動量は、図示するように約1画素分である。また、遮蔽材31の駆動に必要なスペースも、遮蔽材31の大きさ+1画素分(=イメージャ3の大きさ+2画素分)で済む。
従って本例によっても、撮像装置の小型化が図られる。
図10は、第3例としての撮像装置の概略構成図を示している。
図10(a)は、第3例の撮像装置が備えるイメージャ33の平面図を示し、図10(b)はシャッタ部2が有する遮蔽材34の平面図を示している。
イメージャ33は、イメージャ3と同様に焦電素子を用いた撮像素子によって構成される。
図10(a)に示すように、イメージャ33においては、矩形の画素が斜め方向に並ぶように配置されている。いわゆるクリアビット配列と呼ばれるものである。
従ってこの場合も、A画素12とB画素13とは、交互に市松状に配置されることになる。
その他の構成は、第1例の撮像装置と同様である。
また、遮蔽材における開口部は、先の第2例のように画素の1行だけでなく複数行に対応させることも可能である。
図11は、遮蔽材の開口部を2行以上とする第4例としての撮像装置の概略構成図を示している。
図11(a)はイメージャ3の平面図を示し、図11(b)は第4例としての撮像装置が備える遮蔽材の平面図を示している。
図11(a)に示すイメージャ3は、第1例や第2例の場合のイメージャ3と同様となるが、この場合は、所定の複数行ずつ、A画素12及びB画素13が交互に縞状に配置されることになる。具体的に本例においては、2行分の縞模様が得られるようにしている。
その他の構成は、第1例の撮像装置と同様である。
なお、遮蔽材35の開口部35Aとしては、最大で、イメージャ3の全画素行の半数行まで形成することもできる。つまり遮蔽材35としては、開口部35Aとそれ以外の部分とが、交互に、画素の2行以上全画素行の半数行以下ごとに、配置されたものであればよい。
続いて、第2の実施の形態について説明する。
第2の実施の形態は、装置の自己発熱や環境温度変化に伴うイメージャ3の周囲温度の変化による撮像画像への影響の低減、及びS/Nの向上を図るものである。
なお、第2の実施の形態は、先の第1例、第2例、第3例のように遮蔽材において開口部とそれ以外の部分とが1画素間隔で配置される場合に特に好適なものとなるが、以下では一例として、第1例の遮蔽材21を用いる場合を例に説明する。
この場合も、遮蔽材21の駆動は第1例の場合と同様に、1画素分の往復運動とする。このことから、遮蔽材21の駆動に伴うA画素12の出力とB画素13の出力の波形は図4に示すものと同様となる。
これに対し第2の実施の形態では、第1の状態及び第2の状態の双方において、A画素12のピーク値とB画素13のピーク値とを検出し、各状態ごとに、それらの差分を計算する。具体的に、第1の状態においてはA画素12のピーク値(正のピーク値)とB画素13のピーク値(負のピーク値)とをそれぞれ検出し、それら検出したピーク値の差分を計算する。また、第2の状態においてはA画素12のピーク値(負のピーク値)とB画素13のピーク値(正のピーク値)とをそれぞれ検出し、それらのピーク値の差分を計算する。
そして、このように第1の状態、第2の状態の各状態にて算出した差分値(つまりA画素12とB画素13の差動出力)に基づき、1フレーム分の撮像画像信号を得る。
このとき、遮蔽材21の温度は、環境温度と自己発熱とを含めたイメージャ3の周囲の温度に相当するものである。
これらの点を考慮して分かるように、上述のようにA画素12のピーク値とB画素13のピーク値との差分を計算する第2の実施の形態によっては、常に、イメージャ3の周囲温度を補正していることになる。
このとき、隣り合う位置の画素で被写体が同一であるかどうかは、撮像レンズ系の分解能との関係になる。
図12(a)は、最小スポット径とイメージャ3の各画素のサイズとの関係を平面図と断面図とにより示し、図12(b)は遮蔽材21の開口部21Aのサイズとの関係を平面図により示している。
φ=1.22λ/NA
で表される。
第2の実施の形態では、このような最小スポット径内に、それぞれが隣接関係となる4つの画素(本例の場合は2つのA画素12と2つのB画素13)が収まるように、イメージャ3の各画素のサイズの設定や撮像光学系の設計を行っている。
離れている画素では、当然違う被写体の温度を拾っているので、そこから電磁波を遮蔽して遮蔽材21の温度を検出したときに若干の誤差を生じることとなる。
このとき、被写体の温度を表す出力が得られる照射状態の画素は「選択画素」とも呼ぶことができ、遮光状態の画素は、選択画素の出力を補正するための「補正用画素」とも呼ぶことができる。
但し、この場合としても、イメージャ3の高感度化を図る上では、第1の実施の形態の場合と同様に出力フレームレート=Fに対し撮像フレームレート=n×Fとすることが有効となる。
なお確認のために述べておくと、この場合におけるA画素12側の画像とは、A画素12側が照射状態(選択画素)のときに、隣り合う位置関係となるA画素12とB画素13のピーク値の差分を計算して得られる画像となる。またB画素13側の画像とは、B画素13側が照射状態(選択画素)のときに、隣り合う位置関係となるB画素13とA画素12のピーク値の差分を計算して得られる画像となる。
先の図6に示した第1の実施の形態の撮像装置と比較すると、この場合の撮像装置においては、サンプリング部5に代えてサンプリング部5’が設けられ、当該サンプリング部5’と平均化部6との間に差動出力部9が挿入された点が第1の実施の形態の場合とは異なる。
具体的に本例の場合は、撮像フレームレートの1/2に対応した周期で交互に、[A画素12の正のピーク値,B画素13の負のピーク値]の組と[B画素13の正のピーク値,A画素12の負のピーク値]の組とが供給される。
差動出力部9は、上記[A画素12の正のピーク値,B画素13の負のピーク値]が供給される期間では、隣り合う位置にあるA画素12とB画素13の組ごとに[A画素12の正のピーク値−B画素13の負のピーク値]による差分の計算を行い、その結果をA画素12側の画像信号として出力する。
また上記[B画素13の正のピーク値,A画素12の負のピーク値]が供給される期間では、隣り合う位置にあるA画素12とB画素13の組ごとに[B画素13の正のピーク値−A画素12の負のピーク値]による差分の計算を行い、その結果をB画素13側の画像信号として出力する。
平均化部6は、このように出力側の1フレーム期間にn回入力されるA画素12側の画像信号とB画素13側の画像信号のそれぞれについて、画素ごとにその値を平均化する。そして、平均化されたA画素12側の画像信号とB画素13側の画像信号とを併せて、1フレーム分の画像信号として出力する。
ここで、仮に、撮像フレームレートの1/2の周期でA画素12側の画像とB画素13側の画像の双方を得るようにするといったときは、補間を行うことが有効である。
なおこの図14では、シャッタ部2の遮蔽材として遮蔽材21を用いる場合を想定している。
例えばこの図14に矢印で示すように、遮蔽状態にある画素(第2の実施の形態の場合には補正用画素となる)40に対して上下左右に隣接する照射状態の画素41,42,43,44で得られた情報を元に、中間値補間した値を、画素40の輝度として出力させる。
これにより、例えばA画素12のみが照射状態となる第1の状態においてもB画素13側の画像を得ることができる。
例えば、第2例の縞状の遮蔽材31の場合には、画素40の真上の画素(42)と斜め上の2画素、及び真下の画素(44)と斜め下の2画素の合計6画素を中間値補間に利用することもできる。
第3の実施の形態は、撮像素子と遮蔽部との間のギャップに起因して遮蔽材の開口部とそれ以外の部分との境界付近で生じる、画像ボケの抑制を図るものである。
図15(a)は、撮像素子としてのイメージャ3と遮蔽材(21又は35)とのギャップが小である場合に生じる画像ボケの領域を、また図15(b)はイメージャ3と遮蔽材とのギャップが大である場合に生じる画像ボケの領域をそれぞれ示している。
なお、図から明らかなように、ギャップ(Gap)とは、電磁波の入射軸に平行な方向における遮蔽材とイメージャ3との間の間隔を意味する。
なお、画像ボケ領域は、光量のコントラストの低い領域と換言することもできる。
例えばギャップが大である場合には、開口部の縁部の直近に位置する2画素分(上側に直近となる画素と下側に直近となる画素との合計2画素)の領域に渡って画像ボケが生じてしまう場合もある。
この点からも理解されるように、第1例〜第3例の遮蔽材を用いる場合(遮蔽材を1画素分往復駆動する場合)には、ギャップとしては可能な限り小とすることが望ましい。
そこで、第3の実施の形態では、遮蔽材の駆動態様と画素の読み出しタイミングとを工夫することで、ギャップを大としても画像ボケの抑制された撮像画像信号を得ることが可能となるようにする。
先ず、図16(a)に示すように、ここでは説明の便宜上、イメージャ3には12×12=144個の画素が形成されているものとする。
そして、この場合のシャッタ部2が備える遮蔽材51としては、画素3行分の幅を有する開口部51Aが、同じく画素3行分の開口部51Aでない部分を介して2箇所形成されているとする。図のように上側に形成される開口部51Aは開口部51A-1、下側に形成される開口部51Aは開口部51A-2とする。
但し、後述するように本実施の形態では、遮蔽材51を上方向及び下方向に最大で4画素分駆動することになるため、これに伴い開口部51A-1の上側の遮蔽領域、及び開口部51A-2の下側の遮蔽領域としては、双方とも4画素分以上を設けるようにする。
先ず、図中の<1>の状態では、遮蔽材51は、上側の開口部51A-1の上端がイメージャ3の上端(有効画素範囲の上端)に一致する状態にある。
この<1>の状態から、先ずは遮蔽材51を下方向に3画素分駆動して、図中の<2>の状態とする。この<2>の状態では、遮蔽材51の下側の開口部51A-2の下端がイメージャ3の下端(有効画素範囲の下端)に一致している。
この図18においては、イメージャ3に配列されるA画素12とB画素13とについて、それぞれ上側から順にA1,A2,A3,A4,A5,A6、B1,B2,B3,B4,B5,B6と符号を付し、これらそれぞれの画素において先の図17の駆動が行われることに伴い得られる出力を模式的に示している。ここで、図中の上側に凸の部分は正のピーク値を意味し、下側に凸の部分は負のピーク値を意味する。
また、模様を付した凸部は画像ボケの発生を意味し、○印を付した凸部は本例の手法により画像ボケが抑制される部分を意味している。
なお確認のために述べておくと、画像ボケが生じ得る領域は、遮蔽材51がその上限位置又は下限位置に到達したタイミング(遮蔽材の駆動方向が反転するタイミング)において開口部51Aの縁部に対して直近となる領域である。従って、<1>→<2>の遷移区間のように遮蔽材51が下側に駆動される期間(B画素13側が照射状態に遷移する期間)において画像ボケが生じ得るのは、B1,B3,B4,B6の4画素となる。逆に、遮蔽材51が上側に駆動される期間(A画素12側が照射状態に遷移する期間)において画像ボケが生じ得るのはA1,A3,A4,A6の4画素となる。
従って当該<2>→<3>の遷移期間内において検出されるA1,A4の画素のピーク値を、これらの画素の有効な輝度の値としてサンプリングする。
またこの期間では、A2,A5の画素のピーク値が検出されるので、これらのピーク値もサンプリングしておく。
ここで、<3>の状態では、遮蔽材51の上側の開口部51A-1の上端がA1画素の1画素上に位置し、且つ下側の開口部51A-2の上端はB3画素の上端に位置しているので、当該<3>→<4>の遷移期間において画像ボケの生じ得るB1,B4の画素における画像ボケは抑制される。また、この期間では上記のように遮蔽材51が下側にオーバーランするので、B3,B6の画素の画像ボケも抑制されることになる。
従って当該<3>→<4>の遷移期間では、B1,B3,B4,B6の各画素で検出されるピーク値を、有効な輝度の値としてサンプリングしておく。
<4>の状態では、遮蔽材51の上側の開口部51A-1の下端がB1画素の下端に位置し、且つ下側の開口部51A-2の下端はB3画素よりも1画素下側に位置しているので、当該<4>→<1>の遷移期間において画像ボケの生じ得るA3,A6の画素における画像ボケが抑制されることになる。
従って当該<4>→<1>の遷移期間では、A3,A6の各画素で検出されるピーク値を有効な輝度の値としてサンプリングする。
1)開口部51Aのうち最上部に形成された開口部51A-1の上端がイメージャ3の有効画素範囲の上端に位置する第1の駆動状態と、
2)開口部51Aのうち最下部に形成された開口部51A-2の下端が上記有効画素範囲の下端に位置する第2の駆動状態と、
3)上記開口部51A-1の上端が上記有効画素範囲の上端よりも上側に位置する第3の駆動状態と、
4)上記開口部51A-2の下端が上記有効画素範囲の下端よりも下側に位置する第4の駆動状態と
が得られるようにして遮蔽材51を往復運動させるものとすればよい。
このようにすることで、図18に示したように各期間で画像ボケの生じ得る画素の輝度の値として、ボケの抑制された有効な値が得られるようにでき、その結果、それらボケの低減されたタイミングでの画素の値をサンプリングすることによって、画像ボケの抑制された撮像画像信号を得ることができる。
また、この場合も、撮像フレームレートを出力フレームレートの4倍以上として、出力側の1フレーム期間に各画素の輝度として2以上の値を得るようにし、それらを平均化又は積分する構成とすることにより高感度化及びS/Nの向上を図ることもできる。
なお、ここでは一例として、撮像フレームレートは出力フレームレートの4倍に設定されているとする。
またこの場合のシャッタ部2には遮蔽材51が設けられる。
また制御部53は、サンプリング部52に対して、各画素のサンプリングタイミングを指示する。具体的には、各行ごとのサンプリングタイミングを指示する。先の図18の説明からも理解されるように、当該行ごとのサンプリングタイミングは、遮蔽材51の駆動手法が定まれば自ずと定まるので、遮蔽材51の駆動手法に応じて制御部53にプリセットしておくことができる。
なお、制御部53としても、先の制御部8と同様に、温度センサ4からの温度値に応じた画像の温度調整処理を信号処理部7に実行させるための制御を行う。
第4の実施の形態は、遮蔽材の駆動方向が反転する際に開口部が位置する画素で生じる、他の画素との出力差の抑制を図るものである。
図20(a)に示すように、ここでは説明の便宜上、イメージャ3には13×13=169個の画素が形成されているものとする。従ってこの場合のイメージャ3には、図のようにa〜mまでの13行が形成されていることになる。
図のように最も上側に形成される開口部61Aは第1開口部61A-1、その下側に形成される開口部61Aは第2開口部61A-2、最も下側に形成される開口部61Aは第3開口部61A-3とする。
図20(b)では、第1開口部61A-1がイメージャ3の最も上部に形成された画素(a画素)上に位置している状態を示しているが、このときの開口部61Aの形成位置([]で表す)とイメージャ3のa〜mの各行との関係は、
[a]bcde[f]ghij[k]lm
となる。なおこのことからも理解されるように、この場合の開口部61Aは5行おきに形成されていると表現することもできる。
図21(a)に示すグラブは、遮蔽材61を正弦波による駆動信号で往復させた場合の開口部61Aの駆動位置の軌跡を表している。
また図21(b)は、遮蔽材61の駆動信号の1周期(チョッパー周波数)を18の区間に分割したときの、1〜18の各区間でのa〜mの各画素の輝度の遷移を表している。なおこの場合の輝度は4段階で表しており、黒色が輝度最低、濃灰色は輝度低、薄灰色は輝度中、白色は輝度高を意味する。
なお、遮蔽材61を5画素分往復させることとしていない(つまり開口部形成位置間での往復としていない)のは、遮蔽材の駆動距離が長い場合にはその反転位置を正確にコントロールすることが困難となる虞がある点を考慮してのことである。
例えば、図21(b)におけるf画素とi画素とを比較した場合、1〜18の1周期内におけるピーク値の検出回数としては、f画素が「反転位置でのピーク値=1回(区間17)、非反転位置でのピーク値=2回(区間7と区間12)」の計3回となるのに対し、i画素は「非反転位置でのピーク値=2回(区間5と区間14)」の計2回となる。
従って例えばこれらf画素とi画素とでは、上述のチョッパー周波数の差に起因した出力差と共に、積算回数の差に起因した出力差も生じてしまうこととなる。
但しこの場合、積算回数の差は生じないが、前述のようなチョッパー周波数の際に起因した出力差が生じることは言うまでもない。
このため第4の実施の形態では、遮蔽材61の駆動手法を工夫することで対策を行うこととした。
なお図22では図示の都合上、遮蔽材61に形成される3つの開口部61Aのうち第2開口部61A-2の移動軌跡のみを示している。
換言すれば、遮蔽材61の上/下それぞれの反転位置を当該遮蔽材61の1往復の周期で徐々にシフトさせていき、所定の往復回数で、上/下それぞれの反転位置が元の位置に戻るように、遮蔽材61を駆動するものとしている。
このとき、遮蔽材61の1往復周期での反転位置のシフト量は、図のように1画素ずつとしている。
そして、この場合、遮蔽材61の初回の駆動量(初回の往路駆動量:基準駆動量とも呼ぶ)は、6画素分の駆動量としている。
さらに、反転位置の最大シフト量は4画素分と設定している。
これらの設定により、この場合は遮蔽材61の往復回数=8回で、上/下それぞれの反転位置が元の位置に戻ることになる。換言すれば、遮蔽材61が8往復する周期を1周期として、反転位置の上下方向への1往復(開口部61Aの往復範囲の上下方向への1往復)が為されるものである。
図中の最上部に示す1〜8の数値は、遮蔽材61の往復回数を表す。
また、この図においても輝度は、黒色=最低、濃灰色=低、薄灰色=中、白色=高により表している。
つまりこれにより、単純に6画素分の往復運動(或いは5画素分の往復運動)を行う場合に生じていた行ごとの出力差の抑制を図るものである。
具体的に、これらの画素の1ユニット周期内でのピーク値の検出回数を、輝度高(白色)、輝度中(薄灰色)、輝度低(濃灰色)の別も含めて見てみると、
輝度高 輝度中 輝度低 合計
d画素・・・ 16回 4回 3回 23回
e画素・・・ 16回 4回 3回 23回
f画素・・・ 16回 3回 3回 22回
g画素・・・ 16回 2回 4回 22回
h画素・・・ 16回 3回 3回 22回
i画素・・・ 16回 4回 3回 23回
j画素・・・ 16回 4回 3回 22回
となる。
これは、単純に6画素分の往復運動を行った場合における同画素についてのピーク値検出回数
輝度高 輝度中 輝度低 合計
d画素・・・ 16回 0回 0回 16回
e画素・・・ 16回 0回 8回 24回
f画素・・・ 16回 8回 0回 24回
g画素・・・ 16回 8回 0回 24回
h画素・・・ 16回 0回 8回 24回
i画素・・・ 16回 0回 0回 16回
j画素・・・ 16回 0回 8回 24回
と比較すれば、各画素への輝度の分布の均等性が格段に増していることが分かる。
或いは、遮蔽材61として、第1開口部61A-1の上側と第3開口部61A-3の下側にそれぞれ開口部61Aをさらに設けるものとすれば、a画素〜c画素及びk画素〜m画素についても、d画素〜j画素と同様の出力差の改善を図ることができる。
このことからも理解されるように、第4の実施の形態としても、遮蔽材のサイズとしては従来の光チョッパー101よりも格段に小とすることができ、また駆動範囲も最大で6画素分と極めて小である。従って、第4の実施の形態としても、先の第1の実施の形態等の場合と同様に装置の小型化が図られる点に変わりはない。
先の図6と比較して分かるように、この場合の撮像装置は、平均化部6に代えて積分器62が設けられ、また制御部8に代えて制御部63が設けられた点が第1の実施の形態の撮像装置と異なる。
またこの場合のシャッタ部2には遮蔽材61が設けられる。
これにより、前述したような8往復=1ユニット周期による遮蔽材61の駆動が行われる。
なお、制御部63しても、制御部8と同様に温度センサ4からの温度値に応じた画像の温度調整処理を信号処理部7に実行させるための制御を行う。
このとき、積分器62は、制御部63から指示される1ユニット周期ごとのタイミングで各画素の積分値の出力及び0リセットを行う。つまりこれにより、1ユニット周期ごとに各画素の積分及び0リセットが繰り返される。換言すれば、前述した1ユニット周期=出力フレームレートの関係が実現されるものである。
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明としてはこれまでで説明した具体例に限定されるべきものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々な構成を取り得る。
また、第3例については、図10(b)に矢印で示した左上/右下の斜め方向ではなく、右上/左下の斜め方向に遮蔽材34を駆動することもできる。
この図の例では、電極としての機能を兼ね備えた板状の可撓性部材72と可撓性部材73とにより、遮蔽材(21,31,34,35,51,61)を支持するようにしている。具体的に、可撓性部材72,73は、それぞれその一方の端部が遮蔽材の一方の側面、他方の側面にそれぞれ固着され、遮蔽材を支持している。可撓性部材72,73の他方の端部は、図のように基板71に固着されている。
その上で、例えば図のように表面側の電極76,77,78,79を駆動電圧源の+側、電極機能を有する可撓性部材72,73を駆動電圧源の−側に結線し、圧電素子74,75を駆動する。
上記の分極状態及び結線の態様によれば、駆動信号レベルが+側に徐々に上昇することに応じては、圧電素子74,75の形状変化に伴い、図26(a)に示すように可撓性部材72,73がそれぞれ紙面左方向に徐々に撓んでき、遮蔽材としても紙面左方向に徐々に変位することになる。
逆に、駆動信号レベルが徐々に低下することに応じては、図26(b)に示すように可撓性部材72,73はそれぞれ紙面右方向に徐々に撓んでき、遮蔽材としても紙面右方向に徐々に変位していくことになる。なお図26では図示の都合から遮蔽材、可撓性部材72,73、及び基板71のみを抽出して示している。
このようにして、圧電素子アクチュエータを用いたシャッタ部とする場合にも、遮蔽材を往復運動させることができ、また遮蔽材の変位量は駆動信号レベルで調整できる。
例えば液晶シャッタを用いた場合、開口位置の設定は、DSP(Digital Signal Processor)やマイクロコンピュータ等によりプログラムを利用して行うことが可能である。
また、液晶シャッタを駆動するためには、ガラスの表面に電極膜が必要となるが、可視光の場合のITO(インジウム錫酸化物)の代わりに、赤外線の場合は赤外域での透過率の高いCrやTi等を電極膜に使用することが可能である。
これにより、補正用画素が選択画素と同数である場合と比較して、選択画素の数を多くすることができるので、解像度を向上することや、被写体の実態により近い画像を得ることが可能になる。
すなわち、A画素12の輝度平均出力又は輝度合計出力を微分した微分値が0となる所と、B画素13の輝度平均出力又は輝度合計出力を微分した微分値が0となる所とで、遮蔽材が反転駆動するように構成するというものである。
或いは、第2の実施の形態にあっては、A画素12の輝度平均出力又は輝度合計出力と、B画素13の輝度平均出力又は輝度合計出力との、差動出力を微分した微分値が0となる所で、遮蔽材が反転駆動するように構成することもできる。
これにより、遮蔽材が所定位置で反転するようにチョッパー動作することとなり、その結果、遮蔽材の位置を検出するサーボ用のセンサを追加しなくても、安価に遮蔽材の反転位置制御を行うことが可能になる。
なおこの場合において、A画素12の輝度平均出力又は輝度合計出力と、B画素13の輝度平均出力又は輝度合計出力とは、それぞれ、A画素12及びB画素13の全画素について求めてもよく、A画素12及びB画素13の一部の画素について求めてもよい。
カメラとしては、特に、ミリ波のうち波長が10mmより短い短波長側の領域を使用したミリ波撮像カメラ、テラヘルツ撮像カメラ、サーモグラフィカメラ、ガス検知カメラ、可視光カメラ、並びに、X線カメラ等が挙げられる。
また、カメラを利用した各種の装置としては、ユーザーインターフェース入力装置、夜間走行視野補助装置(ナイトビジョン)、セキュリティー装置、健康管理装置、温度差暗号伝送装置等が挙げられる。
Claims (11)
- 複数個の画素を有する撮像素子と、
上記撮像素子における一部の画素に対して電磁波が照射され且つ上記一部の画素以外の画素に対して上記電磁波が遮蔽される一部画素選択照射状態が、上記電磁波が照射される上記一部の画素を逐次変更しながら時分割的に得られるように、上記撮像素子に対する上記電磁波の照射/遮蔽を行う照射/遮蔽部とを備え、
上記照射/遮蔽部は、開口部が形成された遮蔽材を往復運動させて上記撮像素子に対する上記電磁波の照射/遮蔽を行い、
上記照射/遮蔽部により上記電磁波が照射状態とされた画素で得られる輝度の値を時分割的に取得し、それら取得した値に基づいて1フレーム分の撮像画像信号を得る画像信号取得部をさらに備え、
上記撮像素子における上記複数個の画素が少なくとも第1の画素と第2の画素との2種に分類されており、
上記画像信号取得部は、
上記照射/遮蔽部により上記第1の画素が照射状態となり且つ上記第2の画素が遮蔽状態となったときの上記第1の画素の輝度のピーク値と上記第2の画素の輝度のピーク値との差分を第1差分値として計算し、且つ上記照射/遮蔽部により上記第1の画素が遮蔽状態となり且つ上記第2の画素が照射状態となったときの上記第1の画素の輝度のピーク値と上記第2の画素の輝度のピーク値との差分を第2差分値として計算すると共に、上記第1差分値と上記第2差分値とに基づいて1フレーム分の撮像画像信号を得る
撮像装置。 - 上記画像信号取得部は、隣り合った位置に配置された2つの画素毎に上記差分値を求める
請求項1に記載の撮像装置。 - 上記画像信号取得部は、
遮蔽状態にある画素の周囲に配置される照射状態の画素から中間値補完を行って上記撮像画像信号を得る
請求項1に記載の撮像装置。 - 複数個の画素を有する撮像素子と、
上記撮像素子における一部の画素に対して電磁波が照射され且つ上記一部の画素以外の画素に対して上記電磁波が遮蔽される一部画素選択照射状態が、上記電磁波が照射される上記一部の画素を逐次変更しながら時分割的に得られるように、上記撮像素子に対する上記電磁波の照射/遮蔽を行う照射/遮蔽部とを備え、
上記照射/遮蔽部は、開口部が形成された遮蔽材を往復運動させて上記撮像素子に対する上記電磁波の照射/遮蔽を行い、
上記遮蔽材において、上記開口部は、上記往復運動に伴い上記撮像素子の一部の行又は列に選択的に上記電磁波を照射可能に形成されており、
上記照射/遮蔽部は、
上記遮蔽材を往復させる範囲を逐次変更しながら上記撮像素子に対する上記電磁波の照射/遮蔽を行い、
上記遮蔽材における上記開口部のうち最上部又は最右部に形成された第1の開口部の上端又は右端が上記撮像素子の有効画素範囲の上端又は右端に位置する第1の駆動状態と、
上記開口部のうち最下部又は最左部に形成された第2の開口部の下端又は左端が上記有効画素範囲の下端又は左端に位置する第2の駆動状態と、
上記第1の開口部の上端又は右端が上記有効画素範囲の上端よりも上側又は右端よりも右側に位置する第3の駆動状態と、
上記第2の開口部の下端又は左端が上記有効画素範囲の下端よりも下側又は左端よりも左側に位置する第4の駆動状態と
が得られるようにして上記遮蔽材を往復運動させる
撮像装置。 - 複数個の画素を有する撮像素子と、
上記撮像素子における一部の画素に対して電磁波が照射され且つ上記一部の画素以外の画素に対して上記電磁波が遮蔽される一部画素選択照射状態が、上記電磁波が照射される上記一部の画素を逐次変更しながら時分割的に得られるように、上記撮像素子に対する上記電磁波の照射/遮蔽を行う照射/遮蔽部とを備え、
上記照射/遮蔽部は、開口部が形成された遮蔽材を往復運動させて上記撮像素子に対する上記電磁波の照射/遮蔽を行い、
上記遮蔽材において、上記開口部は、上記往復運動に伴い上記撮像素子の一部の行又は列に選択的に上記電磁波を照射可能に形成されており、
上記照射/遮蔽部は、
所定の期間ごとに上記遮蔽材の往復範囲を上下方向又は左右方向に一往復させるように上記遮蔽材を往復運動させ、
上記所定の期間ごとに、各画素の輝度の値を積分又は平均化し、それら積分又は平均化した各輝度の値に基づいて1フレーム分の撮像画像信号を得る画像信号取得部をさらに備える
撮像装置。 - 複数個の画素を有する撮像素子と、
上記撮像素子における一部の画素に対して電磁波が照射され且つ上記一部の画素以外の画素に対して上記電磁波が遮蔽される一部画素選択照射状態が、上記電磁波が照射される上記一部の画素を逐次変更しながら時分割的に得られるように、上記撮像素子に対する上記電磁波の照射/遮蔽を行う照射/遮蔽部とを備え、
上記照射/遮蔽部は、開口部が形成された遮蔽材を往復運動させて上記撮像素子に対する上記電磁波の照射/遮蔽を行い、
上記電磁波が照射される画素の輝度平均出力又は輝度合計出力の微分値の反転箇所と、上記電磁波が遮蔽される画素の輝度平均出力又は輝度合計出力の微分値の反転箇所とを検出することにより、上記遮蔽材の駆動の反転位置が制御される
撮像装置。 - 上記遮蔽材を往復運動させる駆動部が、超音波モータ、DCモータ、ACモータ、ステッピングモータ、リニアモータ、ヴォイスコイルモータ、分子モータ、静電モータ、圧電素子アクチュエータ、ポリマーアクチュエータの何れかにより構成されている
請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の撮像装置。 - 上記撮像素子は、焦電素子、強誘電体素子、マイクロボロメータ、メタマテリアル、アンテナ素子、CCD、CMOSの何れかにより構成されている
請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の撮像装置。 - 上記遮蔽材の上記開口部と上記開口部ではない部分とが、交互に市松状に配置されている
請求項1、請求項2、請求項3、請求項6又は請求項7のいずれかに記載の撮像装置。 - 上記遮蔽材の上記開口部と上記開口部ではない部分とが、交互に、画素の2行以上全画素行の半数行以下ごとに、又は画素の2列以上全画素列の半数列以下ごとに、配置されている
請求項4に記載の撮像装置。 - 出力フレームレートをF[Hz]、撮像フレームレートをn×F[Hz](nは2以上の整数)として、n回撮像して得られた輝度を積分又は平均化することにより、1フレーム分の撮像画像信号が出力される
請求項1乃至請求項10のいずれかに記載の撮像装置。
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