JPH0595517A

JPH0595517A - 高解像度撮像装置

Info

Publication number: JPH0595517A
Application number: JP3084558A
Authority: JP
Inventors: Hiroyoshi Fujimori; 弘善藤森
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1991-03-26
Filing date: 1991-03-26
Publication date: 1993-04-16

Abstract

(57)【要約】【目的】撮像面への入射光量を落すことなく、簡単で安
定した動作を行ない、且つ、静的に変位量を何段（ステ
ップ）にも可変すること。【構成】撮像素子２０の前に、印加電圧に応じて複屈折
の大きさを制御することが可能な１対の電気光学素子２
２，２４と、この１対の電気光学素子２２，２４の間に
挟持されて、偏光面を９０°回転させる偏光面回転素子
２６とでなる電気光学素子群２８を配置し、前記１対の
電気光学素子２２，２４の複屈折特性を撮像素子２０の
１撮像毎に変化させることにより、像光が撮像素子２０
の撮像面に入射する際に０と１／２ピッチシフトを繰り
返して撮像される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、画像取込み装置の高精
細度化に関し、特に有限な開口を有する撮像素子の高解
像度化に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、有限な開口を有する撮像素子
の高解像度化を成し遂げるために、種々の提案がなされ
ている。

【０００３】例えば、特開昭６１−２４７１６８号公報
に開示されている如く、偏光特性を電圧に応じて制御可
能な電気光学素子と、複屈折手段とを撮像手段の前に配
置し、更に前記電気光学素子を制御するための電圧切換
手段を設けたものが提案されている。

【０００４】また、特開昭６２−２６９８４号公報に開
示されている如く、前記電気光学素子の代りに磁気光学
素子を用いたものも提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者
は、電気光学素子と複屈折手段とを１対で光像の位置制
御をしており、前面に偏光子（独立な偏光成分の一方の
みを選択的に透過させる）あるいは後面に検光子（偏光
子）を設けないと２重像がそのまま撮像されてしまうと
いう問題点がある。

【０００６】また、両者とも、独立な偏光成分の一方の
みを選択的に透過させるため、撮像面での光量が１／２
以下となり、それを補うために、絞りを開けると、複写
界深度が浅くなったり、露光時間を長くすると、高解像
度化を計ったことも相まって像振れの問題が生じたり、
Ｓ／Ｎが劣化したりするという問題点が生ずる。

【０００７】また、入射光の偏光特性を電気的に、ある
いは磁気的に制御する方式のため、入射光像と撮像手段
の画素との相対的な位置関係を幾段にも切り換える（よ
り高解像度化）場合には、例えば前記に開示されている
ように１対の光学素子を切り換え段数分重ねて構成する
しかない。即ち、このような場合には、構成が複雑にな
るという問題点がある。

【０００８】また、特開昭６０−１８９５８号公報に開
示されている如く、ピエゾ素子で機械的に撮像素子を半
画素ピッチ分振動させる方式も提案されているが、ピエ
ゾ振動サイクルに制限があり、機構的に複数になったり
する問題点があった。

【０００９】本発明は、上記の点に鑑みてなされたもの
で、撮像面への入射光量を落すことなく、簡単で安定し
た動作を行ない、且つ、静的に変位量を何段（ステッ
プ）にも可変し得る高解像度撮像装置を提供することを
目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明による高解像度撮像装置では、印加電
圧に応じて複屈折の大きさを制御することが可能な１対
の電気光学素子と、前記１対の電気光学素子の間に挟持
されて、偏光面を９０°回転させるための偏光面回転素
子と、前記１対の電気光学素子及び偏光面回転素子を介
した光束を受光する撮像手段と、前記１対の電気光学素
子の複屈折特性を前記撮像手段の１撮像毎に変化させる
電圧制御手段とを備えている。

【００１１】ここで、前記電圧制御手段は、前記１対の
電気光学素子に対して１撮像毎に互いに極性の異なる電
圧を加えるように制御する。

【００１２】また、前記１対の電気光学素子と前記偏光
面回転素子とからなる電気光学手段を、それぞれへの入
射光線に対する出射光線のずれの方向が互いに異なるよ
うに、複数個配置しても良い。

【００１３】

【作用】即ち、本発明による高解像度撮像装置では、印
加電圧に応じて複屈折の大きさを制御可能な１対の電気
光学素子と、その１対の電気光学素子の間に挟持された
偏光面を９０°回転させるための偏光面回転素子とで成
る電気光学手段を撮像手段の前面に配置し、電圧制御手
段により、前記１対の電気光学素子の複屈折特性を前記
撮像手段の１撮像毎に変化させる。

【００１４】ここで、電気光学素子は、自ら複屈折特性
を備え、独立な偏光成分の互いに異なる屈折率を電圧制
御手段から印加された電圧レベルにより制御すること
で、出射２重光像の像間のずれ量が可変制御される。ま
た、偏光面回転素子は、前面にある第１の電気光学素子
から入射した常光と異常光とからなる２重像光の偏波
（光）面を９０°回転させて射出させる。偏光面回転素
子の後面にある第２の電気光学素子は第１の電気光学素
子と同じ複屈折特性となる様に、電圧制御手段で制御さ
れ、前記偏光面回転素子で常光は異常光に、異常光は常
光に変換された２重像光を１重像光にする。この過程で
第１の電気光学素子に入射した像光は、撮像手段の撮像
のタイミングに同期させながら電圧制御手段からの電圧
出力の極性を時間的に反転（あるいはＯＮ，ＯＦＦ）変
化させると、撮像面に入射する際、０と１／２画素ピッ
チシフトを繰り返して撮像され、後段のバッファメモリ
あるいはフレームメモリ等で合成することで画像データ
の画素ピッチが２倍となる。

【００１５】従って、撮像面への入射光量を落すことな
く、簡単で安定した動作を行ない、且つ、静的に変位量
を何段（ステップ）にも可変し得る高解像度の撮像装置
を提供できるようになる。

【００１６】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１は、本発明の第１の実施例に係る高解像度撮
像装置のブロック構成図である。システムコントローラ
１０は、各部の制御を行なうためのもので、これはＳＳ
Ｇ（シンクシグナルジェネレータ）１２からのタイミン
グクロックにより駆動する。

【００１７】レンズ１４及び絞り１６で成る光学系１８
と、撮像素子としてのＣＣＤ２０との間には、本発明の
特徴部分であるところの１対の電気光学素子２２，２４
と、それらの間に挟持された偏光面回転素子２６とで成
る電気光学素子群２８が配置されている。これら電気光
学素子２２，２４及び偏光面回転素子２６は、例えば、
液晶（ＬＣ）である。ＬＣドライバ３０は、システムコ
ントローラ１０からの光像シフト命令（どちらにシフト
するか、あるいは、シフトするかしないか）を受ける
と、ＳＳＧ１２からのシフトスタートのタイミング信号
に同期させて、電気光学素子２２，２４への印加電圧を
制御する。

【００１８】ＳＳＧ１２及びシステムコントローラ１０
は、光学像のシフトが完了する時間経過した後、ＣＣＤ
ドライバ３２へ撮像のためのの制御並びに駆動クロック
信号を送信し、ＣＣＤ２０の撮像並びに読出しを行な
う。ＣＣＤ２０よりサンプル／ホールド回路（Ｓ／Ｈ）
３４により読出された信号は、プリアンプ３６により増
幅された後、Ａ／Ｄ変換回路３８によりディジタル信号
に変換される。そして、一時バッファメモリ４０に記憶
され、適宜ディジタルビデオプロセス部４２に読出され
る。このディジタルビデオプロセス部４２は、バッファ
メモリ４０より読出したディジタル信号に対して、色分
離や変換処理，補正処理（γ，ＷＢ，ゲインコントロー
ル，アパチャ，等）を行なう。そして、その結果が、撮
像した画像信号として、Ｉ／Ｆ（インタフェース）４
４，４６を介してマルチメディアファイリングシステム
４８に転送され、処理，記録がなされる。

【００１９】むろん、記録媒体（ＨＤ，ＭＯ，ＦＤ，メ
モリカード，等）に直接記録する構成にしても良いし、
ＩＳＤＮ，ＩＳＤＢ，ＩＮＳ，ＲＡＮ等の通信回線を用
いて遠隔地へ画像データを転送しても良い。

【００２０】また、図１では、データ圧縮部（ＡＤＣ
Ｔ，ＡＤＰＣＭ，ＡＶＱ等）が明示されていないが、受
信側の要求に応じてデータ圧縮部で適当な圧縮率，フォ
ーマットで圧縮された画像データを受信側に送るように
している。送受信の転送レートによっては、フレームメ
モリ５０に一時記憶され、転送レートに合わせて順次デ
ータは読み出される。なお、図１に於いて、参照番号５
２はフレームメモリ５０を制御するメモリコントローラ
であり、５４は光学系１８を駆動するレンズ，絞りドラ
イバである。

【００２１】図２の（Ａ）は、電気光学素子群２８の構
成を示す図である。この電気光学素子群２８は、電気光
学素子２２，２４としての２つのネマチック（Ｎ）液晶
２２ａ，２４ａが、偏光面回転素子２６としてのＴＮ液
晶２６ａを挟み込む形で構成されている。

【００２２】各Ｎ液晶２２ａ，２４ａは、透明電極５６
を貼り付けた薄いガラス板５８で該液晶を挟むように構
成されており、該電極５６間に電圧を印加することで、
液晶（屈折率楕円体６０）の配列を制御することができ
る。

【００２３】ＴＮ液晶２６ａは、やはり薄いガラス板５
８で挟み込むように構成されており、偏光面が９０°回
転（円偏光）する様に液晶（屈折率楕円体）の配列が固
定されている。また、ＴＮ液晶２６ａと接する側の電極
５６は双方共、接地あるいは０Ｖとし、ＴＮ液晶２６ａ
の両面で電位が生じないようにしている。

【００２４】以下、このような構成に於いて、前記液晶
を用いた電気光学素子群２８に、ＬＣドライバ３０よ
り、図２の（Ｂ）に示すような制御信号（電圧）が印加
された場合につき説明する。なお、図２の（Ｂ）には、
垂直同期信号（ＶＤ）も同時に図示してある。

【００２５】即ち、電気光学素子２２の電極ｖ1 にＶの
電圧を印加すると、Ｎ液晶２２ａの分子（屈折率楕円
体）は、＋θ1 だけ配向する。すると、入射光中、常光
はほとんど屈折せずに直進するが、異常光は分子の長軸
方向にそって屈折し、進路が曲げられる。従って、厚さ
ＤのＮ液晶板を光が通過すると、液晶の配向により常光
と異常光とに分離され、その屈折率の差から、出射する
際に、ｄだけ位置がずれて射出する（液晶の複屈折
性）。

【００２６】Ｎ液晶２２ａにより、２重像となった光像
は、偏波面を保存したまま（直線偏光）ＴＮ液晶２６ａ
に入射する。ＴＮ液晶２６ａでは、偏波面が９０°回転
するように液晶が配列しているため、それぞれの光は、
ＴＮ液晶２６ａを通過することで、その偏波面が９０°
回転し、第１のＮ液晶２２ａで常光だった光は異常光
に、異常光だった光は常光にそれぞれ偏波面が入れ換わ
って、第２のＮ液晶２４ａに入射する。

【００２７】第２のＮ液晶２４ａでは、第１のＮ液晶２
２ａの場合と同じ過程で複屈折性により異常光は常光の
方向へ収束してゆく。

【００２８】ここで、第１と第２のＮ液晶２２ａ，２４
ａの厚みＤ₁，Ｄ₂をＤ₁＝Ｄ₂とし、配向角θ₁，θ
₂をθ₁＝θ₂、印加電圧ｖ₁＝−ｖ₂とすると、第１
と第２のＮ液晶２２ａ，２４ａは共に、例えばレンズ１
４側から見ると、同じ配向，屈折率，光路長となる。従
って、第１のＮ液晶２２ａに入射した光は、途中第１あ
るいは第２のＮ液晶２２ａ，２４ａ中で異常光に対する
屈折率で屈折し、位置を変えて再び一つになって出射す
る。

【００２９】印加電圧を調整し（即ち配向角を調整
し）、電気光学素子群２８内でのシフト量が撮像素子２
０の画素ピッチ（受光エレメント２０ａ間のピッチ）の
１／２となるように設定すると、レンズ１４を通ってき
た光は、本来達する撮像面位置より１／２画素ピッチ、
像がずれることになる（場合（Ｉ）、図２の（Ｃ）参
照）。また、印加電圧をｖ₁＝ｖ₂＝約０Ｖにすると、
Ｎ液晶分子は、第１第２共に垂直に配向し、入射光はそ
のまま直進する（場合（II）、図２の（Ｄ）参照）。

【００３０】従って、図２の（Ｂ）のタイムチャートの
ように、１フレームおきに、印加電圧をＶ₁，Ｖ₀（約
０Ｖ）に切り換えると、撮像素子２０に達する像光は、
１フレーム毎に１／２画素ピッチずれて撮像することに
なる。

【００３１】２フレーム分撮像した画像信号を、図１の
バッファメモリ４０、あるいはフレームメモリ５０にて
互いに補間する形で重ねると、全体として、解像度（分
解能）が２倍になる。

【００３２】なお、電圧印加時と非印加時とでは、当然
光路長が異なる。しかし、この光路長の差は、一定値と
なる。従って、例えば、非印加時の焦点位置に撮像素子
２０を配置し、印加時には、光路長の差によって生ずる
焦点位置の移動量をキャンセルする方向に、光学系１８
の焦点位置を補正する。即ち、制御電圧印加に同期して
レンズ，絞りドライバ５４にピント補正信号が印加さ
れ、レンズ１４は、撮像素子面に合焦する様にピント補
正が行なわれる。

【００３３】図３の（Ａ）は、本発明の第２の実施例に
於けるタイミングチャートを示している。本第２の実施
例では、印加電圧がＶ，−Ｖとなっている。基本的には
前述した第１の実施例と同様の動作であるが、−Ｖが印
加された場合（場合（Ｉ））、第１，第２のＮ液晶２２
ａ，２４ａの配向が逆方向（−θ₁，−θ₂）になる。
従って、第１の実施例のＶ，０に比べ、本第２の実施例
のＶ，−Ｖの場合は、像光のシフト量は２倍となる（図
３の（Ｂ）参照）。

【００３４】このことは、逆に、像光のシフト量を同じ
１／２画素ピッチとすると、第１，第２のＮ液晶２２
ａ，２４ａの厚さが１／２で良いということを示す。こ
の結果、電気光学素子群２８の厚さが約１／２となるの
で、設置スペース的な予裕が生ずる。また、電気光学素
子群２８での光の吸収量（ロス）も約１／２となるの
で、露光時間の短縮あるいは絞りをその分絞れる、ある
いはＳ／Ｎの向上に結びつく。

【００３５】他は、第１の実施例と同様である。なお、
図３の（Ｃ）は−Ｖが印加された場合（場合（Ｉ））に
於ける液晶の配向を示し、図３の（Ｄ）はＶが印加され
た場合（場合（II））に於ける液晶の配向を示してい
る。

【００３６】次に、本発明の第３の実施例を説明する。
本第３の実施例では、電気光学素子群２８に対する印加
電圧は、図４の（Ａ）あるいは（Ｂ）に示すように、
Ｖ，０，−Ｖの３ステートとなっている。基本的には前
述の第１及び第２の実施例と同様に動作するが、印加電
圧をＶ，０，−Ｖと順次切り換えることにより、配向角
がθ₁（θ₂），０（０），−θ₁（−θ₂）と変化す
る。従って、光像のシフトも、図４の（Ｃ）及び（Ｄ）
に示すように、Ａ，Ａ’，Ａ”の３値をとる。ここで、
図４の（Ｃ）は入射光から見た場合を示し、図４の
（Ｄ）は撮像素子２０側から見た場合を示している。

【００３７】Ｖ_in＝Ｖと、−Ｖの時の光像のシフト量
を、１／３画素ピッチにすると、最終的には、図５の
（Ａ）に示すように、３倍の解像度が得られることにな
る。さらにシフト量が、前述した第１の実施例に比べて
２／３ですむので、その分、第１の実施例の電気光学素
子群２８より薄くでき、スペース透過率が改善される。
あるいは、印加電圧Ｖ，−Ｖの値を２／３に低くでき
る。

【００３８】第４の実施例として、電気光学素子群２８
と撮像素子２０とが光軸に対し９０°回転している様に
電気光学素子群２８を設定する。このうよな構成に於い
ては、印加電圧を加えると、像光は撮像素子２０の画素
配列に対し、垂直方向に移動する。即ち、前述した第１
乃至第３の実施例は、横方向にシフトさせた場合である
ので、水平解像度が２〜３倍に向上するが、本第４の実
施例では、垂直解像度が２〜３倍に向上する（図５の
（Ｂ）参照）。

【００３９】同様に、第５の実施例として、電気光学素
子群２８と撮像素子２０とが、光軸に対して４５°回転
しているように電気光学素子群２８を設置してもよい。
この場合は、印加電圧を加えると、像光は、撮像素子２
０の画素配列に対し、斜め方向に移動する（図５の
（Ｃ）参照）。本第５の実施例では、サブナイキストサ
ンプリングと同じ効果が得られ、水平，垂直双方向の解
像度が２〜３倍に向上する。

【００４０】また、図６の（Ａ）は本発明の第６の実施
例の電気光学素子群の配置を示すもので、本第６の実施
例では、像光のシフト方向がそれぞれ撮像素子２０に対
し、水平方向と垂直方向となる２つの電気光学素子群を
組み合わせている。ここで例えば、水平シフト用を第１
の電気光学素子群２８ａ、垂直シフト用を第２の電気光
学素子群２８ｂとする。むろんその逆の配置でも良い。

【００４１】次に、本第６の実施例の動作につき図６の
（Ｂ）及び（Ｃ）を参照して説明する。まず、第１フレ
ームでは、２つの電気光学素子群２８ａ，２８ｂのいず
れにも電圧を印加せずに撮像する（図６の（Ｂ）中の○
の画素）。そして、その画素信号をバッファメモリ４０
に一時記憶する。

【００４２】次に、第２フレームでは、図６の（Ｃ）に
示すように、第１の電気光学素子群２８ａにのみ制御電
圧を印加する。すると、像光は、水平方向に１／２画素
ピッチシフトして撮像される（図６の（Ｂ）中の△）。
そして、その画素信号をバッファメモリ４０に一時記憶
する。

【００４３】第３フレームでは、第１，第２の電気光学
素子群２８ａ，２８ｂに制御電圧を印加する。すると、
像光は、斜め方向に１／２画素ピッチシフトして撮像さ
れる（図６の（Ｂ）中の×）。そして、その画素信号を
バッファメモリ４０に一時記憶する。

【００４４】第４フレームでは、第２の電気光学素子群
２８ｂにのみ制御電圧を印加する。すると、光像は、垂
直方向に１／２画素ピッチシフトして撮像される（図６
の（Ｂ）中の▽）。そして、その画素信号をバッファメ
モリ４０に一時記憶する。

【００４５】こうしてバッファメモリ４０に記憶された
第１乃至第４フレーム分の画像信号を、ディジタルビデ
オプロセス部４２にて、それぞれ補間するように合成す
ると、最終的には水平，垂直，斜め方向とも解像度が２
倍となる。即ち、画像数が４倍の撮像素子で撮像したも
のと同等の解像度が得られることになる（図６の（Ｂ）
参照）。

【００４６】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
撮像面への入射光量を落すことなく、簡単で安定した動
作を行ない、且つ、静的に変位量を何段（ステップ）に
も可変し得る高解像度の撮像装置を提供できるようにな
る。

【００４７】従って、低分解能（少画素数）安価な撮像
素子を用いて、高解像度（高分解能）の撮像装置が得ら
れる。

【００４８】また、光学系や撮像素子を機械的に動かす
のではなく、電気的に、静的に像光をシフトできる。よ
って、構造が簡単で精度が良く、機械的振動や雑音等が
発生することはない。また、装置が小さくでき、制御が
簡単である。

【００４９】さらには、従来の偏光フィルタ（偏光子，
検光子）と組み合わせたものに比べ、入射光を全て有効
利用できる（光量が２倍向上する）。従って、シャッタ
ー速度や絞りの設定に予裕が生じたり、露光量の低下に
よるＳ／Ｎの劣化を最少限に抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る高解像度撮像装置
のブロック構成図である。

【図２】（Ａ）は電気光学素子群の構成を示す図、
（Ｂ）は電気光学素子群に印加する制御信号（電圧）の
波形図、（Ｃ）はＶの電圧が印加された時の電気光学素
子群の動作を説明するための模式図、（Ｄ）は０の電圧
が印加された時の電気光学素子群の動作を説明するため
の模式図である。

【図３】（Ａ）は本発明の第２の実施例に於ける電気光
学素子群に印加する制御信号（電圧）の波形図、（Ｂ）
は電圧が印加された時の電気光学素子群の動作を説明す
るための模式図、（Ｃ）はＶの電圧が印加された時の電
気光学素子群の配向を示す模式図、（Ｄ）は−Ｖの電圧
が印加された時の電気光学素子群の配向を示す模式図で
ある。

【図４】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ第３の実施例に於
ける電気光学素子群に印加する制御信号（電圧）の波形
図、（Ｃ）は電圧が印加された時の電気光学素子群の動
作を説明するための入射光から見た場合の模式図、
（Ｄ）は電圧が印加された時の電気光学素子群の動作を
説明するための撮像素子から見た場合の模式図である。

【図５】（Ａ）は第３の実施例に於ける解像度を説明す
るための図、（Ｂ）は第４の実施例に於ける解像度を説
明するための図、（Ｃ）は第５の実施例に於ける解像度
を説明するための図である。

【図６】（Ａ）は本発明の第６の実施例に於ける電気光
学素子群の配置を示す図、（Ｂ）は第６の実施例に於け
る解像度を説明するための図、（Ｃ）は第６の実施例に
於ける電気光学素子群に印加する制御信号（電圧）の波
形図である。

【符号の説明】

２０…撮像素子（ＣＣＤ）、２２，２４…電気光学素
子、２２ａ，２４ａ…ネマチック（Ｎ）液晶、２６…偏
光面回転素子、２６ａ…ＴＮ液晶、２８，２８ａ，２８
ｂ…電気光学素子群、３０…ＬＣドライバ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】印加電圧に応じて複屈折の大きさを制御
することが可能な１対の電気光学素子と、前記１対の電気光学素子の間に挟持されて、偏光面を９
０°回転させるための偏光面回転素子と、前記１対の電気光学素子及び偏光面回転素子を介した光
束を受光する撮像手段と、前記１対の電気光学素子の複屈折特性を前記撮像手段の
１撮像毎に変化させる電圧制御手段と、を具備することを特徴とする高解像度撮像装置。
【請求項２】前記電圧制御手段は、前記１対の電気光
学素子に対して１撮像毎に互いに極性の異なる電圧を加
えるように制御することを特徴とする請求項１に記載の
高解像度撮像装置。
【請求項３】前記１対の電気光学素子と前記偏光面回
転素子とからなる電気光学手段を、それぞれへの入射光
線に対する出射光線のずれの方向が互いに異なるよう
に、複数個配置したことを特徴とする請求項１に記載の
高解像度撮像装置。