电气设备、电气设备的光学系统以及摄像的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种能够使电气设备薄型，并且能够得到良好的光学特性的电气设备的光学系统。根据实施方式，电气设备的光学系统包括摄像光学系统（5）和光学功能补充处理电路（3）。摄像光学系统（5）取入来自被摄体的光。摄像光学系统（5）使被摄体像成像。电气设备具备摄像光学系统（5）、固体摄像装置（6）以及作为图像信号处理电路的ISP（7）。固体摄像装置（6）对被摄体像进行摄像。固体摄像装置（6）输出图像信号。图像信号处理电路实施图像信号的处理。光学功能补充处理电路（3）设置在固体摄像装置（6）和图像信号处理电路之间的处理路径上。光学功能补充处理电路（3）实施用于对与被摄体像的形成有关的摄像光学系统（5）的功能进行补充的处理。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明的实施方式涉及一种电气设备、电气设备的光学系统以及摄像机。 电气设备、电气设备的光学系统以及摄像机
【背景技术】
[0002] 为了将摄像机模块搭载到智能手机等便携式终端中，强烈地要求薄型化。图像传 感器作为对摄像机模块薄型化和提高像素数的应对，其像素的微细化得到发展。摄像光学 系统由于透镜的分辨率有限，又有低成本化的要求等，因此，相对于图像传感器的性能，透 镜的性能有下降的倾向。摄像机模块的像素越微细，相对于图像传感器的清晰度，透镜的分 辨率越低下，由此光检测敏感度的低下、衍射极限的影响成为问题。
[0003] 为了实现薄型化而期望摄像机模块中尽量缩短透镜与图像传感器之间的距离。要 缩短透镜与图像传感器之间的距离，就要考虑使用高折射率材料作为透镜的材料。摄像机 模块通过减少构成摄像光学系统的透镜的片数，就能缩短摄像光学系统自身从而使薄型化 成为可能，并且能削减成本。
[0004] 在摄像机模块中，仅简单地将以往的透镜更换为由高折射率材料构成的透镜，很 难使透镜与图像传感器之间的距离大幅度缩短。作为透镜材料，例如在使用了作为高折射 率材料的玻璃的情况下，摄像机模块的材料费增加或摄像光学系统的重量增加成为问题。 摄像机模块中，因为摄像光学系统的重量增加，驱动摄像光学系统的驱动器的成本提高也 成为问题。在摄像机模块中，在减少了透镜片数的情况下，各种像差、摄像光学系统的分辨 率低下都变得明显，很难得到良好的光学性能。另外，因为摄像机模块的摄像光学系统的分 辨率低下，很难改善光检测敏感度。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的问题在于，提供一种能够使电气设备薄型并且能得到良好的光 学特性的电气设备、电气设备的光学系统以及摄像机。
[0006] -个实施方式的电气设备的光学系统的特征在于，设置在电气设备中，所述电气 设备包括：摄像光学系统，取入来自被摄体的光，并使被摄体像成像；固体摄像装置，对所 述被摄体像进行摄像，并输出图像信号；和图像信号处理电路，实施所述图像信号的处理， 所述电气设备的光学系统包括所述摄像光学系统和光学功能补充处理电路，所述光学功能 补充处理电路设置在所述固体摄像装置和所述图像信号处理电路之间的处理路径上，实施 用于对所述摄像光学系统的与所述被摄体像的形成有关的功能进行补充的处理。
[0007] 其他实施方式的电气设备的光学系统的特征在于，设置在电气设备中，所述电气 设备具备：摄像光学系统，取入来自被摄体的光，并使被摄体像成像；固体摄像装置，对所 述被摄体像进行摄像，并输出图像信号；和图像信号处理电路，实施所述图像信号的处理，
[0008] 所述电气设备的光学系统包括所述摄像光学系统和光学功能补充处理电路，所 述光学功能补充处理电路设置在所述固体摄像装置和所述图像信号处理电路之间的处理 路径上，实施用于对与所述被摄体像的形成有关的所述摄像光学系统的功能进行补充的处 理，所述光学功能补充处理电路具有：对所述摄像光学系统的使倍率色差降低的功能进行 补充的倍率色差降低补充部、对所述摄像光学系统的所述被摄体像的清晰度复原的功能进 行补充的清晰度复原补充部、以及对所述摄像光学系统的所述被摄体像的畸变校正的功能 进行补充的畸变校正补充部。
[0009] 此外，其他的实施方式的电气设备的特征在于，具备：光学系统，包括取入来自被 摄体的光并使被摄体像成像的摄像光学系统；固体摄像装置，对所述被摄体像进行摄像，并 输出图像信号；和图像信号处理电路，实施所述图像信号的处理，所述光学系统还包括光学 功能补充处理电路，所述光学功能补充处理电路实施用于对所述摄像光学系统的与所述被 摄体像的形成有关的功能进行补充的处理，
[0010] 所述光学功能补充处理电路设置在所述固体摄像装置和所述图像信号处理电路 之间的处理路径上。
[0011] 此外，其他的实施方式的摄像机的特征在于，具备：光学系统，包括取入来自被摄 体的光并使被摄体像成像的摄像光学系统；固体摄像装置，对所述被摄体像进行摄像，并输 出图像信号；和
[0012] 图像信号处理电路，实施所述图像信号的处理，
[0013] 所述光学系统还包括光学功能补充处理电路，所述光学功能补充处理电路实施用 于对所述摄像光学系统的与所述被摄体像的形成有关的功能进行补充的处理，
[0014] 所述光学功能补充处理电路设置在所述固体摄像装置和所述图像信号处理电路 之间的处理路径上。
[0015] 发明效果
[0016] 根据上述结构的电气设备、电气设备的光学系统摄像机，能够使电气设备薄型，并 且能得到良好的光学特性。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1是示出实施方式涉及的作为电气设备的数字摄像机的概略结构的框图。
[0018] 图2是示出固体摄像装置的概略结构的框图。
[0019] 图3是示出光学功能补充处理电路的结构的框图。
[0020] 图4是对光学功能补充处理电路中的处理进行说明的图。
【具体实施方式】
[0021] 以下，参照附图，详细地说明实施方式涉及的电气设备的光学系统。再有，并不是 通过该实施方式限定本发明。
[0022] (实施方式）
[0023] 图1是示出实施方式涉及的电气设备的数字摄像机的概略结构的框图。数字摄像 机1具有摄像机模块2、光学功能补充处理电路3以及后段处理部4。
[0024] 摄像机模块2具有摄像光学系统5和固体摄像装置6。摄像光学系统5取入来自 被摄体的光，并使被摄体像成像。摄像光学系统5具备多个透镜。固体摄像装置6对被摄 体像进行摄像，并输出图像信号。摄像机模块2除了数字摄像机1以外，还适用于例如带摄 像机的便携式终端等电子设备。
[0025] 图2是示出固体摄像装置的概略结构的框图。固体摄像装置6具备信号处理电路 11和作为摄像元件的图像传感器10。图像传感器10例如是CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor :互补金属氧化物半导体）图像传感器。图像传感器10除CMOS图像 传感器以外，还可以是CO) (charge coupled device:电荷f禹合器件)。
[0026] 图像传感器10具有像素阵列12、垂直移位寄存器13、水平移位寄存器14、定时控 制部15、相关双重采样部（⑶S)16、自动增益控制部（AGC)17以及模拟数字变换部（ADC)18。
[0027] 像素阵列12设置在图像传感器10的摄像区域中。像素阵列12由在水平方向(行 方向）和垂直方向（列方向）上阵列状配置的多个像素构成。各像素具备作为光电变换元件 的光电二极管。像素阵列12生成与入射到各像素中的光量相应的信号电荷。
[0028] 定时控制部15向垂直移位寄存器13和水平移位寄存器14提供定时信号，该定时 信号指示读取来自像素阵列12的各像素的信号的定时。垂直移位寄存器13根据来自定时 控制部15的作为定时信号的垂直同步信号，按照每行选择像素阵列12内的像素。垂直移 位寄存器13向所选择的行的各像素输出读取信号。
[0029] 从垂直移位寄存器13被输入了读取信号的像素，按照入射光量来输出累积的信 号电荷。像素阵列12将来自像素的信号经由垂直信号线输出到CDS16。垂直移位寄存器 13作为选择像素阵列12中的读取信号电荷的行的行选择电路来发挥作用。
[0030] ⑶S16对来自像素阵列12的信号进行用于降低固定图案噪声的相关双重采样处 理。AGC17对经过了⑶S16中的相关双重采样处理的信号进行放大。ADC18将经过了 AGC17 中的放大的信号从模拟方式变换成数字方式。水平移位寄存器14根据来自定时控制部15 的作为定时信号的水平同步信号，依次读取已在ADC18中变换为数字方式的信号。
[0031] 信号处理电路11对由水平移位寄存器14读取的数字图像信号实施各种信号处 理。信号处理电路11实施例如缺陷校正、降噪器、黑点校正、白平衡调整等的信号处理。固 体摄像装置6输出经过了信号处理电路11中的信号处理的RAW图像信号。
[0032] 光学功能补充处理电路3实施用于补充与被摄体像的形成有关的摄像光学系统5 的功能的处理。光学功能补充处理电路3输出已实施了用于补充摄像光学系统5的功能的 处理后的RAW图像信号。摄像光学系统5和光学功能补充处理电路3构成数字摄像机1的 光学系统。
[0033] 光学功能补充处理电路3例如构成为辅助芯片。光学功能补充处理电路3设置在 与固体摄像装置6的信号处理电路11和后段处理部4的ISP7的任一个都不同的电路基板 上。另外，光学功能补充处理电路3也可以配置在数字摄像机1内的任意位置上。光学功 能补充处理电路3也可以设置在例如固体摄像装置6内。
[0034] 后段处理部4具有图像信号处理器（image signal processor ;ISP) 7、存储部8 以及显示部9。ISP7是图像信号处理电路。ISP7实施由固体摄像装置6中的摄像所得到的 RAW图像信号的信号处理。光学功能补充处理电路3设置在固体摄像装置6的信号处理电 路11与ISP7之间的处理路径上。
[0035] ISP7实施对RAW图像的像素插补处理(去马赛克处理）等。ISP7利用对RAW图像 信号的像素插补处理，生成不足颜色成分的敏感度等级值。ISP7利用对已经过了光学功能 补充处理电路3中的处理后的RAW图像信号进行的像素插补处理，合成彩色的位图图像。另 夕卜，ISP7对去马赛克后的彩色图像实施用于画质改良的各种校正。
[0036] 存储部8保存已经过了 ISP7中的信号处理的图像。存储部8按照用户的操作等， 向显示部9输出图像信号。显示部9按照从ISP7或者存储部8输入的图像信号来显示图 像。显示部9例如是液晶显示器。
[0037] 图3是示出光学功能补充处理电路的结构的框图。光学功能补充处理电路3具有 倍率色差降低补充部21、清晰度复原补充部22和畸变校正补充部23。
[0038] 构成摄像光学系统5的透镜产生倍率色差。因为像的倍率依存于光的波长而变 化，因而产生倍率色差。摄像光学系统5具备使起因于透镜特性的倍率色差降低的功能。倍 率色差降低补充部21对RAW图像信号实施对摄像光学系统5的用于降低倍率色差的功能 进行补充的信号处理。
[0039] 构成摄像光学系统5的透镜产生轴向色差。因为折射率依存于光的波长而变化， 因而产生轴向色差。摄像光学系统5具备用于使起因于透镜特性的轴向色差降低的清晰度 复原的功能。清晰度复原补充部22对RAW图像信号实施对摄像光学系统5的清晰度复原 的功能进行补充的信号处理。
[0040] 构成摄像光学系统5的透镜产生畸变像差。畸变像差是像变形的现象。被摄体像 失真的程度随着远离画面中心而变大。摄像光学系统5具备校正起因于透镜特性的被摄体 像的畸变的功能。畸变校正补充部23实施对摄像光学系统5的畸变校正的功能进行补充 的信号处理。
[0041] 图4是对光学功能补充处理电路中的处理进行说明的图。摄像机模块2为了实现 薄型化而期望尽量缩短摄像光学系统5与图像传感器10之间的距离。为了缩短摄像光学 系统5与图像传感器10之间的距离，考虑使用高折射率材料来作为透镜的材料。摄像机模 块2通过减少构成摄像光学系统5的透镜的片数，能够缩短摄像光学系统5自身，并且能削 减成本。另一方面，摄像光学系统5通过增加透镜的片数而能够抑制各种像差。
[0042] 假如，摄像机模块2为了从摄像光学系统5的功能得到期望的光学特性，用5片透 镜来构成摄像光学系统5。用5片透镜构成的摄像光学系统5具备能充分地得到例如倍率 色差的降低、清晰度复原、畸变校正的功能。在该情况下，例如，假设试着将摄像光学系统5 的透镜从5片变更为4片。
[0043] 摄像机模块2通过减少构成摄像光学系统5的透镜的片数，能使摄像光学系统5 自身变短而薄型化，并且能削减成本。但是，摄像光学系统5因为减少了透镜的片数，难以 抑制各种像差。若使用该摄像光学系统5对被摄体30摄像，则在图像传感器10中得到的 被摄体像31中显著地产生倍率色差、轴向色差、畸变。摄像机模块2因为残留摄像光学系 统5中的像差，很难得到良好的光学特性。
[0044] 本实施方式的光学系统是，由光学功能补充处理电路3来补偿因为为了摄像机模 块2的薄型化而减少摄像光学系统5的透镜所导致的仅通过摄像光学系统5无法完全吸收 的光学性能劣化部分。在设想了在通常的摄影中能得到足够的光学特性的透镜结构的摄像 光学系统5的情况下，由光学功能补充处理电路3承担构成该摄像光学系统5的透镜的一 部分的功能。
[0045] 本实施方式的光学系统中，代替设置对与被摄体像的形成有关的摄像光学系统5 的功能进行补充的光学功能补充处理电路3,能够减少摄像光学系统5的透镜的片数。本实 施方式的摄像光学系统5例如由4片透镜构成。
[0046] 倍率色差降低补充部21对摄像光学系统5的、校正垂直于光轴ΑΧ的方向上的各 颜色光的成像点的偏移的功能进行补充。清晰度复原补充部22对摄像光学系统5的、校正 光轴ΑΧ方向上的成像点的偏移的功能进行补充。畸变校正补充部23对修正被摄体像31 的失真的功能进行补充。
[0047] 数字摄像机1通过光学功能补充处理电路3中的信号处理，得到已执行了倍率色 差的降低、清晰度复原、畸变校正的RAW图像32。数字摄像机1通过在固体摄像装置6与 ISP7之间的处理路径上配置光学功能补充处理电路3,能够使由摄像光学系统5引起的暂 时劣化的光学特性，在后段处理部4中的去马赛克处理等的前阶段得到改善。
[0048] 光学功能补充处理电路3对向ISP7输入之前的RAW图像信号实施用于补偿摄像 光学系统5的光学特性的处理。对此，后段处理部4的ISP7对去马赛克后的彩色图像信 号实施用于画质改良的各种校正。在本实施方式中，光学功能补充处理电路3作为不同于 ISP7的处理手段而发挥作用。数字摄像机1不论摄像光学系统5中的光学特性的劣化如 何，都能够使用能实施与以往同样的处理的ISP7。例如，作为光学功能补充处理电路3中的 运算，在进行向非线性函数的数据代入（fitting)的情况下，在光学功能补充处理电路3中 的运算中可以适用比ISP7中的运算高的次数。
[0049] 数字摄像机1通过用摄像光学系统5积极地留存像差，就能减轻对摄像光学系统 5的透镜的功能负荷。摄像光学系统5能够缓和对透镜所要求的可以不需要透镜高功能化 的那部分的精度。摄像机模块2能够减少摄像光学系统5的透镜，又能缓和对各透镜要求 的精度，因此能够降低成本。
[0050] 本实施方式的光学系统也可以在减少摄像光学系统5的透镜的情况下，将摄像光 学系统5的透镜的至少某个设置为由高折射率、高分散性材料构成的透镜。数字摄像机1 能够利用光学功能补充处理电路3中的处理来吸收由有关的透镜材料的变更所产生的各 种像差。
[0051] 摄像光学系统5也可以选择各透镜的材料，使得例如在具备4片透镜的情况下，将 从入射侧数第一个透镜和第三个透镜设为低折射率(例如η = 1. 5)且低分散，自从入射侧 数第二个透镜和第四个透镜设为高折射率(例如η = 1. 6)且高分散。摄像光学系统5将4 片透镜中的最靠近图像传感器10的位置上的第四个透镜设为由高折射率和高分散性材料 构成的透镜。摄像机模块2能够将比以往多的透镜设为由高折射率材料构成的透镜，来构 成摄像光学系统5。这样，摄像机模块2能够缩短从摄像光学系统5到图像传感器10的焦 点距离。
[0052] 摄像机模块2由于减少了摄像光学系统5的透镜，因此摄像光学系统5能轻量化。 摄像机模块2由于摄像光学系统5的轻量化也能实现驱动摄像光学系统5的驱动器的成本 降低。摄像光学系统5也可以在作为透镜材料的高折射率材料中使用玻璃。摄像机模块2 能够利用由于减少摄像光学系统5的透镜而减少的重量部分，来在某种程度上抵消因为使 用玻璃作为透镜材料而增加的重量部分。另外，摄像机模块2能够利用由于减少摄像光学 系统5的透镜而减少的成本部分，来在某种程度上抵消由于使用玻璃作为透镜材料而增加 的成本部分。
[0053] 根据本实施方式，摄像机模块2通过减少构成摄像光学系统5的透镜的片数和使 用由高折射率材料构成的透镜，能够实现薄型化。光学功能补充处理电路3对由于摄像机 模块2的薄型化而摄像光学系统5不能完全承担的功能进行补充。数字摄像机1利用光学 功能补充处理电路3的处理，使各种像差的抑制和光学系统的分辨率的维持成为可能。数 字摄像机1因为能维持光学系统的分辨率，因而就能改善光检测敏感度。
[0054] 根据以上内容，电气设备的光学系统能够使电气设备薄型，并且取得能得到良好 的光学特性的效果。数字摄像机1利用良好的光学性能的光学系统，能够得到抑制了像差 和分辨率低下的RAW图像32。
[0055] 再有，光学功能补充处理电路3只要是具有倍率色差降低补充部21、清晰度复原 补充部22和畸变校正补充部23中的至少某个的电路即可。该情况下，电气设备的光学系 统得到使电气设备薄型且得到良好的光学特性的效果。
[0056] 已经说明了本发明的实施方式，但是该实施方式是作为例子而提出的，并不是想 限定发明范围。该新的实施方式可以以其他各种各样的方式实施，可以在不脱离发明主旨 的范围内进行各种各样的省略、置换和变更。该实施方式或其变形包含在发明范围或主旨 内，并且也包含在权利要求记载的发明及其均等的范围内。
【权利要求】
1. 一种电气设备的光学系统，设置在电气设备中，所述电气设备包括： 摄像光学系统，取入来自被摄体的光，并使被摄体像成像； 固体摄像装置，对所述被摄体像进行摄像，并输出图像信号；和 图像信号处理电路，实施所述图像信号的处理， 所述电气设备的光学系统包括： 所述摄像光学系统；和 光学功能补充处理电路，设置在所述固体摄像装置和所述图像信号处理电路之间的处 理路径上，实施用于对所述摄像光学系统的与所述被摄体像的形成有关的功能进行补充的 处理。
2. 根据权利要求1所述的电气设备的光学系统，所述光学功能补充处理电路具有倍率 色差降低补充部，所述倍率色差降低补充部对所述摄像光学系统的使倍率色差降低的功能 进行补充。
3. 根据权利要求1所述的电气设备的光学系统，所述光学功能补充处理电路具有清晰 度复原补充部，所述清晰度复原补充部对所述摄像光学系统的所述被摄体像的清晰度复原 的功能进行补充。
4. 根据权利要求1所述的电气设备的光学系统，所述光学功能补充处理电路具有畸变 校正补充部，所述畸变校正补充部对所述摄像光学系统的所述被摄体像的畸变校正的功能 进行补充。
5. -种电气设备的光学系统，设置在电气设备中，所述电气设备具备： 摄像光学系统，取入来自被摄体的光，并使被摄体像成像； 固体摄像装置，对所述被摄体像进行摄像，并输出图像信号；和 图像信号处理电路，实施所述图像信号的处理， 所述电气设备的光学系统包括： 所述摄像光学系统；和 光学功能补充处理电路，设置在所述固体摄像装置和所述图像信号处理电路之间的处 理路径上，实施用于对与所述被摄体像的形成有关的所述摄像光学系统的功能进行补充的 处理， 所述光学功能补充处理电路具有： 对所述摄像光学系统的使倍率色差降低的功能进行补充的倍率色差降低补充部、 对所述摄像光学系统的所述被摄体像的清晰度复原的功能进行补充的清晰度复原补 充部、以及 对所述摄像光学系统的所述被摄体像的畸变校正的功能进行补充的畸变校正补充部。
6. 根据权利要求1或5所述的电气设备的光学系统，所述光学功能补充处理电路输出 已实施了用于对所述摄像光学系统的功能进行补充的处理后的RAW图像信号。
7. 根据权利要求1或5所述的电气设备的光学系统，所述光学功能补充处理电路构成 为辅助芯片。
8. -种电气设备，具备： 光学系统，包括取入来自被摄体的光并使被摄体像成像的摄像光学系统； 固体摄像装置，对所述被摄体像进行摄像，并输出图像信号；和 图像信号处理电路，实施所述图像信号的处理， 所述光学系统还包括光学功能补充处理电路，所述光学功能补充处理电路实施用于对 所述摄像光学系统的与所述被摄体像的形成有关的功能进行补充的处理， 所述光学功能补充处理电路设置在所述固体摄像装置和所述图像信号处理电路之间 的处理路径上。
9. 根据权利要求8所述的电气设备，所述光学功能补充处理电路具有倍率色差降低补 充部，所述倍率色差降低补充部对所述摄像光学系统的使倍率色差降低的功能进行补充。
10. 根据权利要求8所述的电气设备，所述光学功能补充处理电路具有清晰度复原补 充部，所述清晰度复原补充部对所述摄像光学系统的所述被摄体像的清晰度复原的功能进 行补充。
11. 根据权利要求8所述的电气设备，所述光学功能补充处理电路具有畸变校正补充 部，所述畸变校正补充部对所述摄像光学系统的所述被摄体像的畸变校正的功能进行补 充。
12. 根据权利要求8所述的电气设备，所述光学功能补充处理电路具有： 对所述摄像光学系统的使倍率色差降低的功能进行补充的倍率色差降低补充部、 对所述摄像光学系统的所述被摄体像的清晰度复原的功能进行补充的清晰度复原补 充部、以及 对所述摄像光学系统的所述被摄体像的畸变校正的功能进行补充的畸变校正补充部。
13. 根据权利要求8所述的电气设备， 所述摄像光学系统包含多个透镜而构成， 所述多个透镜中的某个与所述多个透镜中的其他透镜的材料相比，由高折射率和高分 散的材料构成。
14. 根据权利要求13所述的电气设备，其特征在于， 所述多个透镜中的最靠近所述固体摄像装置的图像传感器的位置上的透镜，与所述其 他透镜的材料相比，由高折射率和高分散的材料构成。
15. -种摄像机，其特征在于，具备： 光学系统，包括取入来自被摄体的光并使被摄体像成像的摄像光学系统； 固体摄像装置，对所述被摄体像进行摄像，并输出图像信号；和 图像信号处理电路，实施所述图像信号的处理， 所述光学系统还包括光学功能补充处理电路，所述光学功能补充处理电路实施用于对 所述摄像光学系统的与所述被摄体像的形成有关的功能进行补充的处理， 所述光学功能补充处理电路设置在所述固体摄像装置和所述图像信号处理电路之间 的处理路径上。
【文档编号】H04N5/232GK104065866SQ201410007856
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年1月8日 优先权日:2013年3月19日
【发明者】小笠原隆行, 佐藤二尚, 永田一博, 岩田胜雄 申请人:株式会社东芝