特開 2024-175607 撮像装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024175607

(43)【公開日】2024-12-18

(54)【発明の名称】撮像装置

(51)【国際特許分類】

   G03B 19/12 20210101AFI20241211BHJP

   G02B 7/36 20210101ALI20241211BHJP

   G03B 13/36 20210101ALI20241211BHJP

   G02B 7/198 20210101ALI20241211BHJP

   H04N 23/67 20230101ALI20241211BHJP

   H04N 23/55 20230101ALI20241211BHJP

【ＦＩ】

G03B19/12

G02B7/36

G03B13/36

G02B7/198

H04N23/67

H04N23/55

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023093532

(22)【出願日】2023-06-06

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和４年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、研究成果展開事業 大学発新産業創出プログラム「大学・エコシステム推進型スタートアップ・エコシステム形成支援」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】504136568

【氏名又は名称】国立大学法人広島大学

(74)【代理人】

【識別番号】100196380

【弁理士】

【氏名又は名称】森 匡輝

(72)【発明者】

【氏名】石井 抱

(72)【発明者】

【氏名】胡 少鵬

(72)【発明者】

【氏名】島崎 航平

【テーマコード（参考）】

2H011

2H043

2H054

2H151

5C122

【Ｆターム（参考）】

2H011AA01

2H011BA37

2H011BB01

2H011CA11

2H043BB05

2H043BB07

2H054BB02

2H151BA47

2H151BA52

2H151BA55

2H151BA59

2H151CA10

2H151CB26

2H151CE14

2H151DA33

2H151DD02

5C122EA37

5C122EA68

5C122FB11

5C122FD01

5C122FD06

5C122GA34

5C122GE04

5C122GE11

5C122HA82

5C122HB01

(57)【要約】

【課題】高速でフォーカス調整を行うことができる撮像装置を提供する。
【解決手段】撮像装置１は、レンズ１１とイメージセンサ１３との間に配置され、レンズ１１とイメージセンサ１３との間の光路長を調整するフォーカス調整手段１２と、フォーカス調整手段１２の動作を制御する制御部と、を備える。フォーカス調整手段１２は、レンズ１１からの入射光を反射させてイメージセンサ１３に入射させるように回転可能に配置された複数のミラーと、複数のミラーを回転駆動する駆動手段と、を有し、制御部は、駆動手段を制御して、複数のミラーの反射角度を変化させることにより、レンズ１１とイメージセンサ１３との間の光路長を調整する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レンズとイメージセンサとの間に配置され、前記レンズと前記イメージセンサとの間の光路長を調整するフォーカス調整手段と、
前記フォーカス調整手段の動作を制御する制御部と、を備え、
前記フォーカス調整手段は、
前記レンズからの入射光を反射させて前記イメージセンサに入射させるように回転可能に配置された複数のミラーと、
前記複数のミラーを回転駆動する駆動手段と、を有し、
前記制御部は、前記駆動手段を制御して、前記複数のミラーの反射角度を変化させることにより、前記レンズと前記イメージセンサとの間の光路長を調整する、
ことを特徴とする撮像装置。

【請求項2】

前記複数のミラーの回転軸は、前記レンズからの入射光軸に直交し、互いに平行である、
ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。

【請求項3】

前記複数のミラーのうち、少なくとも１のミラーの回転軸は、ミラーの中心から外れた偏心軸である、
ことを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。

【請求項4】

予め設定された前記複数のミラーの回転角度の組み合わせを記憶する記憶部を備え、
前記制御部は、前記記憶部に記憶された前記回転角度の組み合わせに基づいて、前記複数のミラーの回転角度を制御する、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の撮像装置。

【請求項5】

前記制御部は、
前記回転角度の組み合わせごとに撮影された画像にコントラストオートフォーカス処理を適用することにより、被写体に焦点の合っている画像を選択し、前記記憶部に記憶させる、
ことを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、撮像装置に関し、より詳細にはフォーカス調整手段を備える撮像装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、イメージセンサ、画像処理プロセッサの小型化、処理速度の向上等にともなって、撮像装置の応用範囲が大幅に拡大している。また、撮像装置の応用範囲の拡大に対応するため、撮像装置の高機能化が求められており、フォーカス調整機能を有する撮像装置が種々開発されている。撮像装置におけるフォーカス調整手段として、典型的には複数枚のレンズを移動させて、焦点を合わせる方法が用いられている（例えば、特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２３－６０２７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１のようにレンズ群を移動させてフォーカスを調整する方法は、デジタルカメラ等の撮像装置において一般的に用いられている。ところで、近年撮像装置の応用分野として伸展している画像認識システムの分野では、画像認識処理を迅速に行うために、被写体に高速で焦点を合わせて撮影することが求められる。また、移動する複数の被写体を画像認識するために、高速で複数の被写体に順次焦点を合わせて撮影を行うことが求められる場合もある。

【0005】

レンズ群を移動させてフォーカスを調整する場合、各レンズ間の距離を精密に調整しつつ移動させることが必要となるので、フォーカス調整に要する時間が大きくなってしまう。したがって、上記の画像認識システムのように高速で被写体に焦点を合わせて撮影することが要求される場合、フォーカス調整手段としてレンズを移動させる方法を用いることは難しい。

【0006】

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、高速でフォーカス調整を行うことができる撮像装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するために、本発明に係る撮像装置は、
レンズとイメージセンサとの間に配置され、前記レンズと前記イメージセンサとの間の光路長を調整するフォーカス調整手段と、
前記フォーカス調整手段の動作を制御する制御部と、を備え、
前記フォーカス調整手段は、
前記レンズからの入射光を反射させて前記イメージセンサに入射させるように回転可能に配置された複数のミラーと、
前記複数のミラーを回転駆動する駆動手段と、を有し、
前記制御部は、前記駆動手段を制御して、前記複数のミラーの反射角度を変化させることにより、前記レンズと前記イメージセンサとの間の光路長を調整する。

【0008】

また、前記複数のミラーの回転軸は、前記レンズからの入射光軸に直交し、互いに平行である、
こととしてもよい。

【0009】

また、前記複数のミラーのうち、少なくとも１のミラーの回転軸は、ミラーの中心から外れた偏心軸である、
こととしてもよい。

【0010】

また、予め設定された前記複数のミラーの回転角度の組み合わせを記憶する記憶部を備え、
前記制御部は、前記記憶部に記憶された前記回転角度の組み合わせに基づいて、前記複数のミラーの回転角度を制御する、
こととしてもよい。

【0011】

また、前記制御部は、
前記回転角度の組み合わせごとに撮影された画像にコントラストオートフォーカス処理を適用することにより、被写体に焦点の合っている画像を選択し、前記記憶部に記憶させる、
こととしてもよい。

【発明の効果】

【0012】

本発明の撮像装置によれば、レンズとイメージセンサとの間に回転可能に配置された複数のミラーの反射角度を変化させることにより光路長を調整して、フォーカス調整を行うので、高速でフォーカス調整を行うことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施の形態に係る撮像装置の構成を示す機能ブロック図である。

【図2】実施の形態に係るフォーカス調整部の構成を示す概念図である。

【図3】実施の形態に係るフォーカス調整部の構成例を示す斜視図である。

【図4】実施の形態に係る制御ユニットの機能ブロック図である。

【図5】実施の形態に係る撮像処理の流れを示すフローチャートである。

【図6】ミラーの各回転角度で撮影された画像の例を示す図である。

【図7】異なる距離で配置された複数の被写体について撮影した場合の画像の例である。

【図8】図７の例に係る複数の被写体の距離を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る撮像装置１について説明する。図１の機能ブロック図に示すように、撮像装置１は、レンズ１１、フォーカス調整部１２、イメージセンサ１３、制御ユニット２０を備える。

【0015】

レンズ１１は、被写体の像をフォーカス調整部１２へと入射する。本実施の形態に係るレンズ１１は、固定焦点レンズである。

【0016】

フォーカス調整部１２は、被写体に焦点が合うように調整を行うフォーカス調整手段である。本実施の形態に係るフォーカス調整部１２は、レンズ１１とイメージセンサ１３との間に配置され、レンズ１１とイメージセンサ１３との間の光路長を調整することにより、フォーカス調整を行う。

【0017】

より具体的には、フォーカス調整部１２は、図２の概念図及び図３の構成例に示すように２枚のミラー１２１，１２２を備える。ミラー１２１はレンズ１１からの入射光の光軸上に配置され、入射光の光軸に直交する軸を中心として回転可能に配置される。また、ミラー１２２は、ミラー１２１の回転軸と平行な軸を中心として回転可能に配置される。ミラー１２１，１２２は、図示しない駆動手段であるモータによって、回転駆動される。

【0018】

ミラー１２１は、入射光をミラー１２２へ反射させ、ミラー１２２はミラー１２１からの入射光を反射させてイメージセンサ１３へと入射させる。図２に示すように、ミラー１２２の回転軸はミラー１２２の中心から外れた偏心軸となっており、ミラー１２２の回転角度θ_２を調整することにより、ミラー１２１とミラー１２２との距離Ｌ_２と、ミラー１２２とイメージセンサ１３との距離Ｌ_３とを調整することができる。また、ミラー１２２の回転角度θ_２にあわせて、ミラー１２１の回転角度θ_１を調整することにより、ミラー１２２へ反射させる入射光の向きを調整することができる。これにより、レンズ１１とイメージセンサ１３との間の光路長を調整しつつ、入射光を適切にイメージセンサ１３へ導くことができる。

【0019】

本実施の形態に係る撮像装置１は、フォーカス調整部１２のミラー１２１，１２２の回転角度を調整して複数の画像Ｉ_ｍを撮影し、撮影された複数の画像Ｉ_ｍに基づいてコントラストオートフォーカス処理を適用し、被写体に焦点が合うようにフォーカス調整を行うこととしている。

【0020】

イメージセンサ１３は、レンズ１１を介して撮像装置１に入射した光を、画像データに変換して画像Ｉ_ｍを生成する。本実施の形態に係るイメージセンサ１３は、Imaging source社製DFK37BUX287である。撮像装置１の解像度は、例えば７２０×５４０ピクセルである。またこの場合、撮像装置１は、例えば５００ｆｐｓのフレームレートで撮影することができる。

【0021】

制御ユニット２０は、図４の機能ブロック図に示すように、制御部２１、記憶部２２、表示部２３、入力部２４を備える。

【0022】

制御部２１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等から構成されており、撮像装置１の動作を制御する。また、制御部２１は、制御部２１のＲＯＭ、記憶部２２等に記憶されている各種動作プログラム及びデータをＲＡＭに読み込んでＣＰＵを動作させることにより、図４に示される制御部２１の各機能を実現させる。これにより、制御部２１は、ミラー制御部２１１、画像取得部２１２、演算部２１３として動作する。

【0023】

ミラー制御部２１１は、フォーカス調整部１２を制御して、ミラー１２１，１２２の回転角度を調整する。これにより、ミラー制御部２１１は、レンズ１１とイメージセンサ１３との間の光路長を調整し、焦点の異なる画像Ｉ_ｍの撮影が可能となる。

【0024】

画像取得部２１２は、ミラー制御部２１１で設定されたミラー１２１，１２２の回転角度において、イメージセンサ１３から画像Ｉ_ｍに係るデータを取得することにより、撮影を行う。

【0025】

演算部２１３は、撮影された焦点の異なる画像Ｉ_ｍについて、コントラストオートフォーカス処理を適用し、被写体に焦点が合う画像を選択し、記憶部２２に記憶させる。

【0026】

記憶部２２は、ハードディスク、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリであり、フォーカス調整部１２に係るミラーについて予め定められた回転角度の設定値、オートフォーカスに関する画像処理プログラム等の情報を記憶する。

【0027】

表示部２３は、撮像装置１に備えられた表示用デバイスであり、例えば液晶ディスプレイである。表示部２３は、各種の設定パラメータ、撮影された画像Ｉ_ｍ等を表示する。

【0028】

入力部２４は、撮像装置１の画角、露出などの撮影に関するパラメータ等を入力するための入力デバイスである。入力部２４は、例えば撮像装置１に備えられたタッチパネルである。

【0029】

以下、図５のフローチャートを参照しつつ本実施の形態に係る撮像装置１を用いたフォーカス調整を含む撮像処理について具体的に説明する。

【0030】

まず、ミラー制御部２１１は、フォーカス調整部１２を制御して、ミラー１２１，１２２を所定の回転角度になるように回転させる。

【0031】

ここで、フォーカス調整部１２を用いたフォーカス調整方法について、詳細に説明する。フォーカス調整部１２は、レンズ１１とイメージセンサ１３との間に配置され、少なくとも２枚のミラーを備える。本実施の形態に係るフォーカス調整部１２は、図２及び図３に示すように、２枚のミラー１２１，１２２を備える。ミラー１２１，１２２は、それぞれ、レンズ１１からの入射光軸に直交し、互いに平行な軸で回転可能に配置される。これにより、簡素な構成で光路長を調整しつつ、入射光をイメージセンサ１３に受光させることができる。

【0032】

ミラー１２１，１２２の初期角度及び回転角度の範囲は、撮像装置１、ミラー１２１，１２２の大きさ、レンズ１１とイメージセンサ１３との距離等に基づいて設定すればよい。本実施の形態では、ミラー１２１，１２２の初期角度は、レンズ１１からの入射光軸に対してそれぞれ４５°で、プラスマイナス１０°の範囲で回転できるように設定されている。また、ミラー１２１，１２２のうち、光路上でイメージセンサ１３に近いミラー１２２の回転軸は、ミラー１２２の中心から外れた偏心軸となるように設定されている。このように、いずれかのミラーの回転軸を偏心軸とすることにより、光路長の調整範囲を大きくすることができる。

【0033】

図２に示すように、ミラー１２１，１２２の反射角度を規定する回転角度をθ_１，θ_２、ミラー１２１からイメージセンサ１３までの距離をＳ_２、レンズ１１からミラー１２１までの光路長をＬ_１、ミラー１２１からミラー１２２までの光路長をＬ_２、ミラー１２２からイメージセンサ１３までの光路長をＬ_３、ミラー１２１とミラー１２２との中心位置間の距離をｌと表す。この場合、レンズ１１とイメージセンサ１３との間の光路長ＬはＬ＝Ｌ_１＋Ｌ_２＋Ｌ_３であり、Ｌ_２、Ｌ_３は、ミラー１２１，１２２の回転角度θ_１，θ_２に基づいて、以下のように表される。

【数1】

【0034】

図２に示すように、レンズ１１から入射した光は、ミラー１２１及びミラー１２２で反射してイメージセンサ１３で受光される。したがって、イメージセンサ１３で正しく入射光を受光するためには、ミラー１２２の回転角度は、ミラー１２１の回転角度によって規定される。また、小型化の観点等から、ミラー１２１とミラー１２２との距離、ミラー１２１及びミラー１２２の大きさ、回転角度は、制限される。図６は、本実施の形態に係るミラー１２１，１２２の取り得る範囲全体の回転角度の組み合わせで撮影した画像の例である。図６から、イメージセンサ１３で適当に入射光を受光可能なミラー１２１，１２２の回転角度の組み合わせは限られていることがわかる。

【0035】

そこで、本実施の形態では、レンズ１１からの入射光がイメージセンサ１３で適切に受光可能なミラー１２１，１２２の回転角度の組み合わせを予め複数選択し、テーブルＴｂとして記憶部２２に記憶させることとしている。例えば、テーブルＴｂには、ミラー１２１の回転角度θ_１とミラー１２２の回転角度θ_２として、９つの組み合わせを予め記憶させておく。これにより、光路長を変化させつつ、入射光がイメージセンサ１３に適切に受光されるミラー１２１，１２２の角度を効率的に選択することが可能となる。

【0036】

図５のフローチャートに戻り、ミラー制御部２１１は、テーブルＴｂで設定されたミラー１２１，１２２の回転角度の組み合わせから、いずれかの組み合わせを選択し、ミラー１２１，１２２の回転角度を調整する（ステップＳ１１）。

【0037】

画像取得部２１２は、イメージセンサ１３を制御して画像Ｉ_ｍ－ｎ（ｎはミラー１２１，１２２の回転角度の組み合わせの番号）を取得する（ステップＳ１２）。

【0038】

テーブルＴｂで設定されている全ての回転角度の組み合わせで撮影が完了していなければ（ステップＳ１３のＮＯ）、ステップＳ１１に戻り、ミラー制御部２１１は、テーブルＴｂから未選択の回転角度の組み合わせを選択する。そして、ステップＳ１１～Ｓ１２の処理、すなわちミラー１２１，１２２の回転角度の設定、及び画像Ｉ_ｍ－ｎの取得を行う。

【0039】

予め設定された全ての回転角度の組み合わせについて画像Ｉ_ｍ－ｎの取得が完了すると（ステップＳ１３のＹＥＳ）、演算部２１３は、取得された画像Ｉ_ｍ－ｎのうち、被写体に最も焦点の合っている画像を選択する（ステップＳ１４）。焦点の合っている画像の選択の方法は、特に限定されないが、上述の通り、本実施の形態では、ミラー１２１，１２２の回転角度の組み合わせごとに撮影された画像Ｉ_ｍ－ｎについて、コントラストオートフォーカス処理を適用して、画像選択を行う。これにより、被写体により焦点が合っている画像を撮影することができる。

【0040】

制御部２１は、ステップＳ１４で選択された画像Ｉ_ｍを記憶部２２に記憶させるとともに、表示部２３に表示させる（ステップＳ１５）。

【0041】

図７は、異なる距離で配置された複数の被写体（図８）について、本実施の形態に係る撮像装置１で撮影した場合の画像Ｉ_ｍの例である。図７に示すように、本実施の形態に係る撮像装置１によって、距離の異なる被写体のいずれにも焦点を合わせることが可能であることがわかる。

【0042】

以上説明したように、本実施の形態に係る撮像装置１では、レンズ１１とイメージセンサ１３との間に回転可能に配置された複数のミラー１２１，１２２の反射角度を変化させることにより光路長を調整し、フォーカス調整を行う。したがって、各ミラーを回転軸周りに回転させるのみの簡素な構造でフォーカス調整を行うことができるので、レンズ群を移動させてフォーカス調整を行う場合と比較して、高速にフォーカス調整を行うことが可能である。

【0043】

本実施の形態では、レンズ１１から入射した光の光路長を、ミラー１２１，１２２の反射角度を変化させることにより、調整することとしている。すなわち、フォーカス調整部１２のミラー１２１，１２２は、レンズ１１の前ではなく、レンズ１１とイメージセンサ１３との間に配置されている。これにより、小さな光路長の違いで、大きく焦点の合う位置を調整することができる。したがって、被写体が撮像装置１から遠くにある場合であっても、適切なフォーカス調整を行うことができる。

【0044】

また、本実施の形態に係るフォーカス調整部１２では、ミラー１２１，１２２は、それぞれ、レンズ１１からの入射光軸に直交し、互いに平行な軸で回転可能に配置される。このように、複数のミラーをレンズ１１からの入射光軸に直交し、互いに平行な軸で回転可能に配置することにより、簡素な構成で光路長を調整しつつ、入射光をイメージセンサ１３に受光させることができる。

【0045】

また、本実施の形態に係るフォーカス調整部１２では、ミラー１２２の回転軸は、ミラー１２２の中心から外れた偏心軸となるように設定されている。このように、複数のミラーのうち、いずれかのミラーの回転軸を偏心軸とすることにより、レンズ１１とイメージセンサ１３との間の所定の空間内においてミラーの配置の自由度を高めることができるとともに、光路長の調整範囲を大きくすることが可能となる。

【0046】

さらに、本実施の形態に係る撮像装置１では、各ミラーの回転角度の適当な組み合わせを、予めテーブルＴｂとして記憶部２２に記憶させているので、有効な回転角度のみで撮影を行うことが可能であり、効率よく焦点の異なる複数の画像Ｉ_ｍを撮影することができる。

【0047】

本実施の形態では、フォーカス調整部１２のミラーの数は２枚であることとしたが、これに限られない。例えば、３枚以上のミラーを配置してレンズ１１とイメージセンサ１３との間の光路長を調整することとしてもよい。これにより、高速でフォーカス調整を行うとともに、光路長の調整範囲をより大きくし、フォーカス調整の範囲を大きくすることができる。

【産業上の利用可能性】

【0048】

本発明は、広範囲において被写体の認識を行う画像認識システムの撮像装置に好適である。特に、撮影領域に複数の認識対象が存在する場合の被写体の認識を行う画像認識システムの撮像装置に好適である。

【符号の説明】

【0049】

１ 撮像装置、１１ レンズ、１２ フォーカス調整部、１２１，１２２ レンズ、１３ イメージセンサ、２０ 制御ユニット、２１ 制御部、２１１ ミラー制御部、２１２ 画像取得部、２１３ 演算部、２２ 記憶部、２３ 表示部、２４ 入力部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】