JP2006311473A - 撮像装置および撮像方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ズーム位置またはズーム量を気にすることなく、レンズ設計を行うことができ、かつ精度の高い演算による画像復元が可能な撮像装置およびその方法を提供する。
【解決手段】1次画像を形成する倍率の異なる複数の光学系110−1,2を含む光学ユニット110および撮像素子120と、1次画像を高精細な最終画像に形成する画像処理装置150とを含み、画像処理装置150において、光学系の倍率に応じて、コンボリューション演算時に用いるカーネルサイズやその数値演算で用いられる係数を可変とし、操作部190等の入力により知り、その光学系の倍率に応じた適性となるカーネルサイズや上述した係数を対応させる。
【選択図】図1
【解決手段】1次画像を形成する倍率の異なる複数の光学系110−1,2を含む光学ユニット110および撮像素子120と、1次画像を高精細な最終画像に形成する画像処理装置150とを含み、画像処理装置150において、光学系の倍率に応じて、コンボリューション演算時に用いるカーネルサイズやその数値演算で用いられる係数を可変とし、操作部190等の入力により知り、その光学系の倍率に応じた適性となるカーネルサイズや上述した係数を対応させる。
【選択図】図1
Description
本発明は、撮像素子を用い、ズーム光学系を備えたデジタルスチルカメラや携帯電話搭載カメラ、携帯情報端末搭載カメラ、画像検査装置、自動制御用産業カメラ等の撮像装置および撮像方法に関するものである。
近年急峻に発展を遂げている情報のデジタル化に相俟って映像分野においてもその対応が著しい。
特に、デジタルカメラに象徴されるように撮像面は従来のフィルムに変わって固体撮像素子であるCCD(Charge Coupled Device),CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサが使用されているのが大半である。
特に、デジタルカメラに象徴されるように撮像面は従来のフィルムに変わって固体撮像素子であるCCD(Charge Coupled Device),CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサが使用されているのが大半である。
このように、撮像素子にCCDやCMOSセンサを使った撮像レンズ装置は、被写体の映像を光学系により光学的に取り込んで、撮像素子により電気信号として抽出するものであり、デジタルスチルカメラの他、ビデオカメラ、デジタルビデオユニット、パーソナルコンピュータ、携帯電話機、携帯情報端末(PDA:Personal DigitalAssistant)、画像検査装置、自動制御用産業カメラ等に用いられている。
図13は、一般的な撮像レンズ装置の構成および光束状態を模式的に示す図である。
この撮像レンズ装置1は、光学系2とCCDやCMOSセンサ等の撮像素子3とを有する。
光学系は、物体側レンズ21,22、絞り23、および結像レンズ24を物体側(OBJS)から撮像素子3側に向かって順に配置されている。
この撮像レンズ装置1は、光学系2とCCDやCMOSセンサ等の撮像素子3とを有する。
光学系は、物体側レンズ21,22、絞り23、および結像レンズ24を物体側(OBJS)から撮像素子3側に向かって順に配置されている。
撮像レンズ装置1においては、図13に示すように、ベストフォーカス面を撮像素子面上に合致させている。
図14(A)〜(C)は、撮像レンズ装置1の撮像素子3の受光面でのスポット像を示している。
図14(A)〜(C)は、撮像レンズ装置1の撮像素子3の受光面でのスポット像を示している。
また、位相板(Wavefront Coding optical element)により光束を規則的に分散し、デジタル処理により復元させ被写界深度の深い画像撮影を可能にする等の撮像装置が提案されている(たとえば非特許文献1,2、特許文献1〜5参照)。
"Wavefront Coding;jointly optimized optical and digital imaging systems",Edward R.Dowski,Jr.,Robert H.Cormack,Scott D.Sarama. "Wavefront Coding;A modern method of achieving high performance and/or low cost imaging systems",Edward R.Dowski,Jr.,Gregory E.Johnson. USP6,021,005
USP6,642,504
USP6,525,302
USP6,069,738
特開2003−235794号公報
"Wavefront Coding;jointly optimized optical and digital imaging systems",Edward R.Dowski,Jr.,Robert H.Cormack,Scott D.Sarama. "Wavefront Coding;A modern method of achieving high performance and/or low cost imaging systems",Edward R.Dowski,Jr.,Gregory E.Johnson.
上述した各文献にて提案された撮像装置においては、その全ては通常光学系に上述の位相板を挿入した場合のPSF(Point−Spread−Function)が一定になっていることが前提であり、PSFが変化した場合は、その後のカーネルを用いたコンボリューションにより、被写界深度の深い画像を実現することは極めて難しい。
したがって、単焦点でのレンズではともかく、ズーム系やAF系などのレンズでは、その光学設計の精度の高さやそれに伴うコストアップが原因となり採用するには大きな問題を抱えている。
換言すれば、従来の撮像装置においては、適正なコンボリューション演算を行うことができず、ワイド(Wide)時やテレ(Tele)時のスポット(SPOT)像のズレを引き起こす非点収差、コマ収差、ズーム色収差等の各収差を無くす光学設計が要求される。
しかしながら、これらの収差を無くす光学設計は光学設計の難易度を増し、設計工数の増大、コスト増大、レンズの大型化の問題を引き起こす。
したがって、単焦点でのレンズではともかく、ズーム系やAF系などのレンズでは、その光学設計の精度の高さやそれに伴うコストアップが原因となり採用するには大きな問題を抱えている。
換言すれば、従来の撮像装置においては、適正なコンボリューション演算を行うことができず、ワイド(Wide)時やテレ(Tele)時のスポット(SPOT)像のズレを引き起こす非点収差、コマ収差、ズーム色収差等の各収差を無くす光学設計が要求される。
しかしながら、これらの収差を無くす光学設計は光学設計の難易度を増し、設計工数の増大、コスト増大、レンズの大型化の問題を引き起こす。
また、たとえば画像検査装置や自動制御装置等のような光学系システムにおいては、検査、制御するため、光学系を切替えた時にフォーカス合わせをすることが必要になるが、測定物自体の高さのバラツキ、測定物の置き方のバラツキ、測定物を運ぶ運送部のバラツキ、温度によるバラツキなどの影響により、常に合焦しているようにすることは困難である。
したがって、複数の光学系を備えた光学系システムにおいて、上述した位相板とその後の信号処理によって被写界深度を拡大する等の技術を適用する場合、その光学設計においてPSFがそれぞれの光学系で同じ大きさ、形状になるように設計しなければならないが、そのためには設計の難度が増し、またレンズの精度の高さやそれに伴うコストアップが原因となり採用するには大きな問題を抱えている。
したがって、複数の光学系を備えた光学系システムにおいて、上述した位相板とその後の信号処理によって被写界深度を拡大する等の技術を適用する場合、その光学設計においてPSFがそれぞれの光学系で同じ大きさ、形状になるように設計しなければならないが、そのためには設計の難度が増し、またレンズの精度の高さやそれに伴うコストアップが原因となり採用するには大きな問題を抱えている。
本発明の目的は、複数の光学系を交換可能な撮像装置において、いずれの光学系を用いた場合であっても、適切な画像復元が可能な撮像装置やその撮像方法を提供することにある。
本発明の第1の観点の撮像装置は、複数のレンズを交換可能である撮像装置であって、前記複数のレンズの内少なくともーのレンズおよび光波面変調素子を通過した被写体収差像を撮像可能な撮像素子と、前記撮像素子からの収差画像信号より収差のない画像信号を生成する変換手段と、前記一のレンズに応じた変換係数を取得する変換係数取得手段と、を備え、前記変換手段は、前記変換係数取得手段から得られた変換係数によって、画像信号の変換を行う。
好適には、前記複数のレンズに応じた変換係数をそれぞれ記憶する変換係数記憶手段を更に備え、前記変換係数取得手段は、前記変換係数記憶手段より前記一のレンズに応じた変換係数を取得する。
好適には、前記変換係数取得手段は、撮像装置に装着された前記一のレンズより変換係数を取得する。
好適には、被写体までの距離に相当する情報を生成する被写体距離情報生成手段をさらに備え、前記変換係数は、被写体までの距離の応じた複数の係数を有すると共に、前記変換係数取得手段は、前記被写体距離情報生成手段から得られた被写体までの距離に相当する情報より当該複数の係数より一の係数を選択し、前記変換手段は、該変換係数取得手段により選択されたーの係数によって、画像信号の変換を行う。
好適には、前記変換係数は前記被写体収差像のカーネルイズを変数として含む。
本発明の第2の観点の撮像方法は、前記複数のレンズの内少なくともーのレンズおよび光波面変調素子を通過した被写体収差像を撮像素子により撮像するステップと、前記一のレンズに応じた変換係数を取得するステップと、前記取得した変換係数によって、前記撮像素子からの収差画像信号より収差のない画像信号を生成するステップと、を含む。
本発明によれば、光学系を交換しても適切な画像復元が可能な利点がある。
以下、本発明の実施形態を添付図面に関連付けて説明する。
図1は、本発明に係る撮像装置の一実施形態を示すブロック構成図である。
本実施形態に係る撮像装置100は、光学ユニット110、撮像素子120、アナログフロントエンド部(AFE)130、光学系切替制御部140、画像処理装置150、カメラ信号処理部160、画像表示メモリ170、画像モニタリング装置180、操作部190、およびシステム制御装置200を有している。
光学ユニット110は、複数(本実施形態では2)の光学系110−1,110−2を有し、光学系切替制御部140の切り替え処理に応じて被写体物体OBJを撮影した像を順番に撮像素子120に供給する。
各光学系110−1,110−2は、光学倍率が異なり、撮像対象物体(被写体)OBJの映像を光学的に取り込む。
各光学系110−1,110−2は、光学倍率が異なり、撮像対象物体(被写体)OBJの映像を光学的に取り込む。
撮像装置120は、光学系110−1,110−2で取り込んだ像が結像され、結像1次画像情報を電気信号の1次画像信号FIMとして、アナログフロントエンド部130を介して画像処理装置150に出力するCCDやCMOSセンサからなる。
図1においては、撮像素子120を一例としてCCDとして記載している。
図1においては、撮像素子120を一例としてCCDとして記載している。
アナログフロントエンド部130は、タイミングジェネレータ131、アナログ/ディジタル(A/D)コンバータ132とを有する。
タイミングジェネレータ131では、撮像素子120のCCDの駆動タイミングを生成しており、A/Dコンバータ132は、CCDから入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換し、画像処理装置150に出力する。
タイミングジェネレータ131では、撮像素子120のCCDの駆動タイミングを生成しており、A/Dコンバータ132は、CCDから入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換し、画像処理装置150に出力する。
画像処理装置(二次元コンボリューション手段)は、前段のAFE130からくる撮像画像のデジタル信号を入力し、二次元のコンボリューション処理を施し、後段のカメラ信号処理部(DSP)160に渡す。
カメラ信号処理部(DSP)160は、カラー補間、ホワイトバランス、YCbCr変換処理、圧縮、ファイリング等の処理を行い、メモリ170への格納や画像モニタリング装置180への画像表示等を行う。
システム制御装置200は、操作部190などの操作入力を持ち、それらの入力に応じて、システム全体の動作を決定し、光学系切替制御部140、AFE130、画像処理装置150、DSP160等を制御し、システム全体の調停制御を司るものである。
以下、本実施形態の光学系、画像処理装置の構成および機能について具体的には説明する。
図2は、本実施形態に係るズーム光学系110−1,110−2の構成例を模式的に示す図である。この図は広角側を示している。
図2のズーム光学系110は、物体側OBJSに配置された物体側レンズ111と、撮像素子120に結像させるための結像レンズ112と、物体側レンズ111と結像レンズ112間に配置され、結像レンズ112による撮像素子120の受光面への結像の波面を変形させる、たとえば3次元的曲面を有する位相板(Cubic Phase Plate)からなる光波面変調素子(波面形成用光学素子:Wavefront Coding Optical Element)群113を有する。また、物体側レンズ111と結像レンズ112間には図示しない絞りが配置される。
なお、本実施形態においては、位相板を用いた場合について説明したが、本発明の光波面変調素子としては、波面を変形させるものであればどのようなものでもよく、厚みが変化する光学素子(たとえば、上述の3次の位相板)、屈折率が変化する光学素子(たとえば屈折率分布型波面変調レンズ)、レンズ表面へのコーディングにより厚み、屈折率が変化する光学素子(たとえば、波面変調ハイブリッドレンズ)、光の位相分布を変調可能な液晶素子(たとえば、液晶空間位相変調素子)等の光波面変調素子であればよい。
なお、本実施形態においては、位相板を用いた場合について説明したが、本発明の光波面変調素子としては、波面を変形させるものであればどのようなものでもよく、厚みが変化する光学素子(たとえば、上述の3次の位相板)、屈折率が変化する光学素子(たとえば屈折率分布型波面変調レンズ)、レンズ表面へのコーディングにより厚み、屈折率が変化する光学素子(たとえば、波面変調ハイブリッドレンズ)、光の位相分布を変調可能な液晶素子(たとえば、液晶空間位相変調素子)等の光波面変調素子であればよい。
図2のズーム光学系110は、デジタルカメラに用いられる3倍ズームに光学位相板113aを挿入した例である。
図で示された位相板113aは、光学系により収束される光束を規則正しく分散する光学レンズである。この位相板を挿入することにより、撮像素子120上ではピントのどこにも合わない画像を実現する。
換言すれば、位相板113aによって深度の深い光束(像形成の中心的役割を成す)とフレアー(ボケ部分)を形成している。
この規則的に分光した画像をデジタル処理により、ピントの合った画像に復元する手段を波面収差制御光学系システム(WFCO:Wavefront Coding Optical system)といい、この処理を画像処理装置150において行う。
図で示された位相板113aは、光学系により収束される光束を規則正しく分散する光学レンズである。この位相板を挿入することにより、撮像素子120上ではピントのどこにも合わない画像を実現する。
換言すれば、位相板113aによって深度の深い光束(像形成の中心的役割を成す)とフレアー(ボケ部分)を形成している。
この規則的に分光した画像をデジタル処理により、ピントの合った画像に復元する手段を波面収差制御光学系システム(WFCO:Wavefront Coding Optical system)といい、この処理を画像処理装置150において行う。
ここで、WFCOの基本原理について説明する。
図3に示すように、被写体の画像fがWFCO光学系Hに入ることにより、g画像が生成される。
これは、次のような式で表される。
図3に示すように、被写体の画像fがWFCO光学系Hに入ることにより、g画像が生成される。
これは、次のような式で表される。
(数1)
g=H*f
ただし、*はコンボリューションを表す。
g=H*f
ただし、*はコンボリューションを表す。
生成された画像から被写体を求めるためには、次の処理を要する。
(数2)
f=H-−1*g
f=H-−1*g
ここで、Hに関するカーネルサイズと演算係数について説明する。
ズームポジションをZPn,ZPn−1・・・とする。また、それぞれのH関数をHn,Hn−1、・・・・とする。
各々のスポット像が異なるため、各々のH関数は、次のようになる。
ズームポジションをZPn,ZPn−1・・・とする。また、それぞれのH関数をHn,Hn−1、・・・・とする。
各々のスポット像が異なるため、各々のH関数は、次のようになる。
この行列の行数および/または列数の違いをカーネルサイズ、各々の数字を演算係数とする。
ここで、各々のH関数はメモリに格納しておいても構わないし、PSFを物体距離の関数としておき、物体距離によって計算し、H関数を算出することによって任意の物体距離に対して最適なフィルタを作るように設定できるようにしても構わない。また、H関数を物体距離の関数として、物体距離によってH関数を直接求めても構わない。
ここで、各々のH関数はメモリに格納しておいても構わないし、PSFを物体距離の関数としておき、物体距離によって計算し、H関数を算出することによって任意の物体距離に対して最適なフィルタを作るように設定できるようにしても構わない。また、H関数を物体距離の関数として、物体距離によってH関数を直接求めても構わない。
ところが、図4に示すような画角20度程度の望遠レンズに位相板を挿入した光学系を通った光のスポット形状は図5および図6に示されるように、その広角側と望遠側では、異なったスポット形状を示す。ここで、SPOT形状はPSFの簡易的な表示方法であり、SPOT形状が異なることは、PSFが異なることを表す。このような、光学系の光学倍率切替えによって異なるスポット像を持つ光学系においては(図3のHが異なる)。
従来の撮像装置では適正なコンポルーション演算を行う事ができず、このスポット形状のズレを引き起こす非点収差、コマ収差、ズーム色収差等の各収差を無くす光学設計が要求された。しかしながら、これらの収差を無くす光学設計は光学設計の難易度を増し,設計工数の増大、コストアップ、レンズの大型化の問題を引き起こしていた。
従来の撮像装置では適正なコンポルーション演算を行う事ができず、このスポット形状のズレを引き起こす非点収差、コマ収差、ズーム色収差等の各収差を無くす光学設計が要求された。しかしながら、これらの収差を無くす光学設計は光学設計の難易度を増し,設計工数の増大、コストアップ、レンズの大型化の問題を引き起こしていた。
そこで、本実施形態においては、図1に示すように、倍率の異なる光学系110−1,110−2からの像を撮像素子120で受像して、画像処理装置150に入力させ、光学系に応じた変換係数を取得して、取得した変換係数をもって撮像素子120からの分散画像信号より分散のない画像信号を生成するように構成している。
この図1に示す光学系システムは、主に画像検査装置や自動制御用産業カメラ等で有用であり、例えば様々な寸法の物体を検査できるようにズームレンズではなく、光学系自体を切換えることで光学倍率を切換できるシステムになっている。
この図1に示す光学系システムは、主に画像検査装置や自動制御用産業カメラ等で有用であり、例えば様々な寸法の物体を検査できるようにズームレンズではなく、光学系自体を切換えることで光学倍率を切換できるシステムになっている。
なお、本実施形態において、分散とは、上述したように、位相板113aを挿入することにより、撮像素子120上ではピントのどこにも合わない画像を形成し、位相板113aによって深度の深い光束(像形成の中心的役割を成す)とフレアー(ボケ部分)を形成する現象をいい、像が分散してボケ部分を形成する振る舞いから収差と同様の意味合いが含まれる。したがって、本実施形態においては、収差として説明する場合もある。
次に、画像処理装置150の構成および処理について説明する。
画像処理装置150は、図1に示すように、生(RAW)バッファメモリ151、コンボリューション演算器152、記憶手段としてのカーネルデータ格納ROM153、およびコンボリューション制御部154を有する。
コンボリューション制御部154は、コンボリューション処理のオンオフ、画面サイズ、カーネルデータの入れ替え等の制御を行い、システム制御装置200により制御される。
また、カーネルデータ格納ROM153には、図7に示すように予め用意されたそれぞれの光学系のPSFにより算出されたコンボリューション用のカーネルデータが格納されており、システム制御装置200によって光学系設定時に光学系切替制御部140から使用される光学系情報を取得し、コンボリューション制御部154を通じてカーネルデータを選択制御する。
図7の例では、カーネルデータAは光学倍率(×1.5)、カーネルデータBは光学倍率(×5)、カーネルデータCは光学倍率(×10)に対応したデータとなっている。
図8は、システム制御装置200の光学系設定処理の概要を示すフローチャートである。
まず、光学系を確認し(ST1)、カーネルデータをセットする(ST2)。
そして、操作部190の操作により光学系の切り替え指示がなされると(ST3)、光学系切替制御部140により光学ユニット110の光学系の出力を切り替え、ステップST1の処理を行う(ST4)。
まず、光学系を確認し(ST1)、カーネルデータをセットする(ST2)。
そして、操作部190の操作により光学系の切り替え指示がなされると(ST3)、光学系切替制御部140により光学ユニット110の光学系の出力を切り替え、ステップST1の処理を行う(ST4)。
なお、図2や図4の光学系は一例であり、本発明は図2や図4の光学系に対して用いられるものとは限らない。また、スポット形状についても図5および図6は一例であり、本実施形態のスポット形状は、図5および図6に示すものとは限らない。
また、図7のカーネルデータ格納ROMに関しても、光学倍率やそれぞれのカーネルのサイズ、値に対して用いられるものとは限らない。また用意するカーネルデータの数についても3個とは限らない。
また、図7のカーネルデータ格納ROMに関しても、光学倍率やそれぞれのカーネルのサイズ、値に対して用いられるものとは限らない。また用意するカーネルデータの数についても3個とは限らない。
なお、上述のように、光波面変調素子としての位相板(Wavefront Coding optical element)を備えた撮像装置の場合、所定の焦点距離範囲内であればその範囲内に関し画像処理によって適正な収差のない画像信号を生成できるが、所定の焦点距離範囲外の場合には、画像処理の補正に限度があるため、前記範囲外の被写体のみ収差のある画像信号となってしまう。
また一方、所定の狭い範囲内に収差が生じない画像処理を施すことにより、所定の狭い範囲外の画像にぼけ味を出すことも可能になる。
また一方、所定の狭い範囲内に収差が生じない画像処理を施すことにより、所定の狭い範囲外の画像にぼけ味を出すことも可能になる。
本実施形態においては、WFCOを採用し、高精細な画質を得ることが可能で、しかも、光学系を簡単化でき、コスト低減を図ることが可能となっている。
以下、この特徴について説明する。
以下、この特徴について説明する。
図9(A)〜(C)は、撮像素子120の受光面でのスポット像を示している。
図9(A)は焦点が0.2mmずれた場合(Defocus=0.2mm)、図9(B)が合焦点の場合(Best focus)、図9(C)が焦点が−0.2mmずれた場合(Defocus=−0.2mm)の各スポット像を示している。
図9(A)〜(C)からもわかるように、本実施形態に係る撮像装置100においては、位相板113aを含む波面形成用光学素子群113によって深度の深い光束(像形成の中心的役割を成す)とフレアー(ボケ部分)が形成される。
図9(A)は焦点が0.2mmずれた場合(Defocus=0.2mm)、図9(B)が合焦点の場合(Best focus)、図9(C)が焦点が−0.2mmずれた場合(Defocus=−0.2mm)の各スポット像を示している。
図9(A)〜(C)からもわかるように、本実施形態に係る撮像装置100においては、位相板113aを含む波面形成用光学素子群113によって深度の深い光束(像形成の中心的役割を成す)とフレアー(ボケ部分)が形成される。
このように、本実施形態の撮像装置100において形成された1次画像FIMは、深度が非常に深い光束条件にしている。
図10(A),(B)は、本実施形態に係る撮像レンズ装置により形成される1次画像の変調伝達関数(MTF:Modulation Transfer Function)について説明するための図であって、図10(A)は撮像レンズ装置の撮像素子の受光面でのスポット像を示す図で、図10(B)が空間周波数に対するMTF特性を示している。
本実施形態においては、高精細な最終画像は後段の、たとえばデジタルシグナルプロセッサ(Digital Signal Processor)からなる画像処理装置150の補正処理に任せるため、図10(A),(B)に示すように、1次画像のMTFは本質的に低い値になっている。
本実施形態においては、高精細な最終画像は後段の、たとえばデジタルシグナルプロセッサ(Digital Signal Processor)からなる画像処理装置150の補正処理に任せるため、図10(A),(B)に示すように、1次画像のMTFは本質的に低い値になっている。
画像処理装置150は、上述したように、撮像素子120による1次画像FIMを受けて、1次画像の空間周波数におけるMTFをいわゆる持ち上げる所定の補正処理等を施して高精細な最終画像FNLIMを形成する。
画像処理装置150のMTF補正処理は、たとえば図13の曲線Aで示すように、本質的に低い値になっている1次画像のMTFを、空間周波数をパラメータとしてエッジ強調、クロマ強調等の後処理にて、図11中曲線Bで示す特性に近づく(達する)ような補正を行う。
図11中曲線Bで示す特性は、たとえば本実施形態のように、波面形成用光学素子を用いずに波面を変形させない場合に得られる特性である。
なお、本実施形態における全ての補正は、空間周波数のパラメータによる。
図11中曲線Bで示す特性は、たとえば本実施形態のように、波面形成用光学素子を用いずに波面を変形させない場合に得られる特性である。
なお、本実施形態における全ての補正は、空間周波数のパラメータによる。
本実施形態においては、図11に示すように、光学的に得られる空間周波数に対するMTF特性曲線Aに対して、最終的に実現したいMTF特性曲線Bを達成するためには、それぞれの空間周波数に対し、エッジ強調等の強弱を付け、元の画像(1次画像)に対して補正をかける。
たとえば、図11のMTF特性の場合、空間周波数に対するエッジ強調の曲線は、図12に示すようになる。
たとえば、図11のMTF特性の場合、空間周波数に対するエッジ強調の曲線は、図12に示すようになる。
すなわち、空間周波数の所定帯域内における低周波数側および高周波数側でエッジ強調を弱くし、中間周波数領域においてエッジ強調を強くして補正を行うことにより、所望のMTF特性曲線Bを仮想的に実現する。
このように、実施形態に係る撮像装置100は、基本的に、1次画像を形成する倍率の異なる複数の光学系110−1,2を含む光学ユニット110および撮像素子120と、1次画像を高精細な最終画像に形成する画像処理装置150からなり、光学系システムの中に、波面成形用の光学素子を新たに設けるか、またはガラス、プラスチックなどのような光学素子の面を波面成形用に成形したものを設けることにより、結像の波面を変形し、そのような波面をCCDやCMOSセンサからなる撮像素子120の撮像面(受光面)に結像させ、その結像1次画像を、画像処理装置150を通して高精細画像を得る画像形成システムである。
本実施形態では、撮像素子120による1次画像は深度が非常に深い光束条件にしている。そのために、1次画像のMTFは本質的に低い値になっており、そのMTFの補正を画像処理装置150で行う。
本実施形態では、撮像素子120による1次画像は深度が非常に深い光束条件にしている。そのために、1次画像のMTFは本質的に低い値になっており、そのMTFの補正を画像処理装置150で行う。
ここで、本実施形態における撮像装置100における結像のプロセスを、波動光学的に考察する。
物点の1点から発散された球面波は結像光学系を通過後、収斂波となる。そのとき、結像光学系が理想光学系でなければ収差が発生する。波面は球面でなく複雑な形状となる。幾何光学と波動光学の間を取り持つのが波面光学であり、波面の現象を取り扱う場合に便利である。
結像面における波動光学的MTFを扱うとき、結像光学系の射出瞳位置における波面情報が重要となる。
MTFの計算は結像点における波動光学的強度分布のフーリエ変換で求まる。その波動光学的強度分布は波動光学的振幅分布を2乗して得られるが、その波動光学的振幅分布は射出瞳における瞳関数のフーリエ変換から求まる。
さらにその瞳関数はまさに射出瞳位置における波面情報(波面収差)そのものからであることから、その光学系110−1,2を通して波面収差が厳密に数値計算できればMTFが計算できることになる。
物点の1点から発散された球面波は結像光学系を通過後、収斂波となる。そのとき、結像光学系が理想光学系でなければ収差が発生する。波面は球面でなく複雑な形状となる。幾何光学と波動光学の間を取り持つのが波面光学であり、波面の現象を取り扱う場合に便利である。
結像面における波動光学的MTFを扱うとき、結像光学系の射出瞳位置における波面情報が重要となる。
MTFの計算は結像点における波動光学的強度分布のフーリエ変換で求まる。その波動光学的強度分布は波動光学的振幅分布を2乗して得られるが、その波動光学的振幅分布は射出瞳における瞳関数のフーリエ変換から求まる。
さらにその瞳関数はまさに射出瞳位置における波面情報(波面収差)そのものからであることから、その光学系110−1,2を通して波面収差が厳密に数値計算できればMTFが計算できることになる。
したがって、所定の手法によって射出瞳位置での波面情報に手を加えれば、任意に結像面におけるMTF値は変更可能である。
本実施形態においても、波面の形状変化を波面形成用光学素子で行うのが主であるが、まさにphase(位相、光線に沿った光路長)に増減を設けて目的の波面形成を行っている。
そして、目的の波面形成を行えば、射出瞳からの射出光束は、図9(A)〜(C)に示す幾何光学的なスポット像からわかるように、光線の密な部分と疎の部分から形成される。
この光束状態のMTFは空間周波数の低いところでは低い値を示し、空間周波数の高いところまでは何とか解像力は維持している特徴を示している。
すなわち、この低いMTF値(または、幾何光学的にはこのようなスポット像の状態)であれば、エリアジングの現象を発生させないことになる。
つまり、ローパスフィルタが必要ないのである。
そして、後段のDSP等からなる画像処理装置150でMTF値を低くしている原因のフレアー的画像を除去すれば良いのである。それによってMTF値は著しく向上する。
本実施形態においても、波面の形状変化を波面形成用光学素子で行うのが主であるが、まさにphase(位相、光線に沿った光路長)に増減を設けて目的の波面形成を行っている。
そして、目的の波面形成を行えば、射出瞳からの射出光束は、図9(A)〜(C)に示す幾何光学的なスポット像からわかるように、光線の密な部分と疎の部分から形成される。
この光束状態のMTFは空間周波数の低いところでは低い値を示し、空間周波数の高いところまでは何とか解像力は維持している特徴を示している。
すなわち、この低いMTF値(または、幾何光学的にはこのようなスポット像の状態)であれば、エリアジングの現象を発生させないことになる。
つまり、ローパスフィルタが必要ないのである。
そして、後段のDSP等からなる画像処理装置150でMTF値を低くしている原因のフレアー的画像を除去すれば良いのである。それによってMTF値は著しく向上する。
以上説明したように、本実施形態によれば、1次画像を形成する倍率の異なる複数の光学系110−1,2を含む光学ユニット110および撮像素子120と、1次画像を高精細な最終画像に形成する画像処理装置150とを含み、画像処理装置150において、光学系の倍率に応じて、コンボリューション演算時に用いるカーネルサイズやその数値演算で用いられる係数を可変とし、操作部190等の入力により知り、その光学系の倍率に応じた適性となるカーネルサイズや上述した係数を対応させることにより、倍率やデフォーカス範囲を気にすることなくレンズ設計ができ、かつ精度の高いコンボリュ−ションによる画像復元が可能となる利点がある。
また、難度が高く、高価でかつ大型化した光学レンズを必要とせずに、かつ、レンズを駆動させること無く、撮影したい物体に対してピントが合い、背景はぼかすといった、いわゆる自然な画像を得ることができる利点がある。
そして、本実施形態に係る撮像装置100は、デジタルカメラやカムコーダー等の民生機器の小型、軽量、コストを考慮されたズームレンズのWFCOに使用することが可能である。
また、難度が高く、高価でかつ大型化した光学レンズを必要とせずに、かつ、レンズを駆動させること無く、撮影したい物体に対してピントが合い、背景はぼかすといった、いわゆる自然な画像を得ることができる利点がある。
そして、本実施形態に係る撮像装置100は、デジタルカメラやカムコーダー等の民生機器の小型、軽量、コストを考慮されたズームレンズのWFCOに使用することが可能である。
また、本実施形態においては、結像レンズ112による撮像素子120の受光面への結像の波面を変形させる波面形成用光学素子を有する撮像レンズ系と、撮像素子120による1次画像FIMを受けて、1次画像の空間周波数におけるMTFをいわゆる持ち上げる所定の補正処理等を施して高精細な最終画像FNLIMを形成する画像処理装置150とを有することから、高精細な画質を得ることが可能となるという利点がある。
また、光学系110−1,2の構成を簡単化でき、製造が容易となり、コスト低減を図ることができる。
また、光学系110−1,2の構成を簡単化でき、製造が容易となり、コスト低減を図ることができる。
ところで、CCDやCMOSセンサを撮像素子として用いた場合、画素ピッチから決まる解像力限界が存在し、光学系の解像力がその限界解像力以上であるとエリアジングのような現象が発生し、最終画像に悪影響を及ぼすことは周知の事実である。
画質向上のため、可能な限りコントラストを上げることが望ましいが、そのことは高性能なレンズ系を必要とする。
画質向上のため、可能な限りコントラストを上げることが望ましいが、そのことは高性能なレンズ系を必要とする。
しかし、上述したように、CCDやCMOSセンサを撮像素子として用いた場合、エリアジングが発生する。
現在、エリアジングの発生を避けるため、撮像レンズ装置では、一軸結晶系からなるローパスフィルタを併用し、エリアジングの現象の発生を避けている。
このようにローパスフィルタを併用することは、原理的に正しいが、ローパスフィルタそのものが結晶でできているため、高価であり、管理が大変である。また、光学系に使用することは光学系をより複雑にしているという不利益がある。
現在、エリアジングの発生を避けるため、撮像レンズ装置では、一軸結晶系からなるローパスフィルタを併用し、エリアジングの現象の発生を避けている。
このようにローパスフィルタを併用することは、原理的に正しいが、ローパスフィルタそのものが結晶でできているため、高価であり、管理が大変である。また、光学系に使用することは光学系をより複雑にしているという不利益がある。
以上のように、時代の趨勢でますます高精細の画質が求められているにもかかわらず、高精細な画像を形成するためには、従来の撮像レンズ装置では光学系を複雑にしなければならない。複雑にすれば、製造が困難になったりし、また高価なローパスフィルタを利用したりするとコストアップにつながる。
しかし、本実施形態によれば、ローパスフィルタを用いなくとも、エリアジングの現象の発生を避けることができ、高精細な画質を得ることができる。
また、図1に示したような交換レンズ式の実施形態によれば、異なる光学系に切換した場合であっても適切なコンボリューション演算が行え、適切な画像復元を実現することができ、結果として、たとえば画像検査装置などに用いた場合、測定物自体の寸法のバラツキ、測定物の設置位置のバラツキ等があっても、より適切に合焦した画像を得ることができる。
しかし、本実施形態によれば、ローパスフィルタを用いなくとも、エリアジングの現象の発生を避けることができ、高精細な画質を得ることができる。
また、図1に示したような交換レンズ式の実施形態によれば、異なる光学系に切換した場合であっても適切なコンボリューション演算が行え、適切な画像復元を実現することができ、結果として、たとえば画像検査装置などに用いた場合、測定物自体の寸法のバラツキ、測定物の設置位置のバラツキ等があっても、より適切に合焦した画像を得ることができる。
なお、本実施形態において、光学系の波面形成用光学素子を絞りより物体側レンズよりに配置した例を示したが、絞りと同一あるいは絞りより結像レンズ側に配置しても上記と同様の作用効果を得ることができる。
また、図2や図4の光学系は一例であり、本発明は図2や図4の光学系に対して用いられるものとは限らない。また、スポット形状についても図5および図6は一例であり、本実施形態のスポット形状は、図5および図6に示すものとは限らない。
また、図7のカーネルデータ格納ROMに関しても、光学倍率やそれぞれのカーネルのサイズ、値に対して用いられるものとは限らない。また用意するカーネルデータの数についても3個とは限らない。
また、図7のカーネルデータ格納ROMに関しても、光学倍率やそれぞれのカーネルのサイズ、値に対して用いられるものとは限らない。また用意するカーネルデータの数についても3個とは限らない。
100…撮像装置、110…光学ユニット、110−1,110−2…光学系、120…撮像素子、130…アナログフロントエンド部(AFE)、140…光学系切替制御部、150…画像処理装置、160…カメラ信号処理部、190…操作部、200…システム制御装置、111…物体側レンズ、112…結像レンズ、113…波面形成用光学素子、113a…位相板(光波面変調素子)、152…コンボリューション演算器、153…カーネルデータROM、154…コンボリューション制御部。
Claims (6)
- 複数のレンズを交換可能である撮像装置であって、
前記複数のレンズの内少なくともーのレンズおよび光波面変調素子を通過した被写体収差像を撮像可能な撮像素子と、
前記撮像素子からの収差画像信号より収差のない画像信号を生成する変換手段と、
前記一のレンズに応じた変換係数を取得する変換係数取得手段と、を備え、
前記変換手段は、前記変換係数取得手段から得られた変換係数によって、画像信号の変換を行う
撮像装置。 - 前記複数のレンズに応じた変換係数をそれぞれ記憶する変換係数記憶手段を更に備え、
前記変換係数取得手段は、前記変換係数記憶手段より前記一のレンズに応じた変換係数を取得する
請求項1に記載の撮像装置。 - 前記変換係数取得手段は、撮像装置に装着された前記一のレンズより変換係数を取得する
請求項1に記載の撮像装置。 - 被写体までの距離に相当する情報を生成する被写体距離情報生成手段をさらに備え、
前記変換係数は、被写体までの距離の応じた複数の係数を有すると共に、
前記変換係数取得手段は、前記被写体距離情報生成手段から得られた被写体までの距離に相当する情報より当該複数の係数より一の係数を選択し、
前記変換手段は、該変換係数取得手段により選択されたーの係数によって、画像信号の変換を行う
請求項1から3のいずれか一に記載の撮像装置。 - 前記変換係数は前記被写体収差像のカーネルサイズを変数として含む
請求項1から4のいずれか一に記載の撮像装置。 - 前記複数のレンズの内少なくともーのレンズおよび光波面変調素子を通過した被写体収差像を撮像素子により撮像するステップと、
前記一のレンズに応じた変換係数を取得するステップと、
前記取得した変換係数によって、前記撮像素子からの収差画像信号より収差のない画像信号を生成するステップと、
を含む撮像方法。
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