JP2007158575A

JP2007158575A - 撮像装置

Info

Publication number: JP2007158575A
Application number: JP2005349024A
Authority: JP
Inventors: Katsuji Kunimatsu; 勝次國末
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-12-02
Filing date: 2005-12-02
Publication date: 2007-06-21

Abstract

【課題】撮像素子の大きさで決定される限界の被写界深度以上に、より被写界深度の浅い映像を撮影することのできる撮像装置を提供することを目的とする。
【解決手段】演算部１０には、撮像素子部３、４、５からの映像信号と、制御部９からレンズ１と被写体のフォーカス距離Ｌと、距離センサ部７で計測した画素ごとの計測距離Ｄｎが入力される。計測距離Ｄｎに対して水平、垂直の二次元ローパスフィルタリング処理を施して、ＬＰＤｎを得る。
その後、ＬＰＤｎとフォーカス距離Ｌの差の絶対値を演算し、その結果により映像信号に施すローパスフィルタリング特性を変化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、被写界深度を調整することが可能な撮像装置に関するものである。

近年、フィルムを用いたカメラに代わって、撮像素子としてＣＣＤを備えたデジタルスチルカメラが広まりつつある。１６ｍｍフィルムや３５ｍｍフィルムを用いて撮影を行っていた映画などの映像制作市場においても、撮像素子としてＣＣＤやＣＭＯＳ等の電子デバイスを備えたデジタルビデオカメラで撮影し、その後の編集や合成などの処理及び、投影まで全てをデジタルで行うデジタルシネマが広がりつつある。

ここで、デジタルスチルカメラ等の静止画撮影を目的とするカメラにおいても、また、ビデオカメラ等の動画撮影を目的とするカメラにおいても、芸術的な映像を撮影するため、被写界深度を調整して撮影することが頻繁に行われる。例えば、図１１で示すような人物を撮影する場合（ポートレート撮影）には、人物に焦点を合わせて背景が適度にぼけている映像が、人物が浮き立ち芸術的な映像として好まれる。

この焦点距離前後の焦点が合う範囲を被写界深度と言い、被写界深度が小さい（浅い）程、より背景がぼけ、人物が浮いたようなポートレート映像を撮影することが出来る。

ここで、被写界深度について図１２を用いて説明する。図１２において、１はレンズであり、距離Ｌで焦点が合っている状態（実線）である。しかし、実際には距離Ｌの被写体だけに焦点が合うのではなく、距離Ｌの前後の映像にも焦点が合う（破線）。これは、レンズを通して結像した映像のぼけがある一定以上の大きさよりも小さければ、ぼけを検出することが出来ないためである。その大きさを許容錯乱円と言い、撮像素子の大きさで決定されるパラメータである。

距離Ｌより後方で焦点の合う範囲を後方被写界深度Ｄ１、手前側で焦点の合う範囲を前方被写界深度Ｄ２と言い、被写界深度Ｄは両者の和Ｄ１＋Ｄ２で表される。ここで、後方被写界深度Ｄ１と前方被写界深度Ｄ２は、レンズの焦点距離をｆ、Ｆナンバー（絞り値）をＦｎｏ、許容錯乱円をδとすると、次式で表される。

よって、被写界深度は、（数３）のようになる。

特許文献１によれば、３５ｍｍフィルムカメラと１／２インチＣＣＤとでは、同じ画角の映像を撮影するために、レンズから３ｍの被写体に焦点を合わせたとすると、３５ｍｍフィルルムカメラの場合は、２．５ｍ〜３．７ｍの範囲でフォーカスが合い、１／２インチＣＣＤカメラの場合には、１．７ｍ〜９．８ｍの範囲でフォーカスが合うと報告されている。これは、撮像素子の大きさに起因するものが大きい。

また、被写界深度の浅い映像を撮影するために、一般には、レンズの後にＮＤフィルタを挿入して撮像素子に入射する光量を減少させ、絞りを開けて（Ｆナンバーを小さくする）撮影を行うことで、ぼけた映像を撮影するテクニックが用いられる。特許文献２では、被写界深度をビューファインダ上にグラフ表示し、撮影者が被写界深度を容易に確認することが可能なカメラを提供するものである。撮影者は、ビューファインダ上に表示された被写界深度を確認し、ＮＤフィルタや絞りを調整して被写界深度を容易に調整することが可能となる。
特開２００２−１９６２２８号公報特開２００３−３１９２４６号公報

しかしながら、上記の従来の構成では、ビューファインダ上に被写界深度を表示することで、撮影者が意図する映像を撮影しやすくする効果はあるものの、撮像素子の大きさで決定される被写界深度の限界を超えた映像を作り出すことは不可能である。

本発明は上記従来の問題点を解決するもので、撮像素子の大きさで決定される限界の被写界深度以上に、より被写界深度の浅い映像を撮影することのできる撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の発明は、レンズから入射した光情報を電荷に変換する撮像素子部と、前記撮像素子部の複数の領域ごとに被写体と前記撮像素子部の距離を計測する距離センサ部と、レンズのフォーカス制御を行うレンズ制御部と、演算部を備え、前記演算部において、前記距離センサ部からの距離情報と、前記レンズ制御部からのフォーカス距離情報から、前記撮像素子部からの映像信号にローパスフィルタリング処理を行うものであり、浅い被写界深度の映像を実現することができるという作用を有する。

本発明の請求項２に記載の発明は、前記演算部において、前記距離センサ部からの距離情報とフォーカス距離情報の差の絶対値に対応して、前記ローパスフィルタリング処理の特性を変化させるとしたものであり、浅い被写界深度の映像を実現することができるという作用を有する。

本発明の請求項３に記載の発明は、前記演算部において、前記距離センサ部からの距離情報にローパスフィルタリング処理を施すとしたものであり、被写体の境界付近での画像のチラツキを抑制するという作用を有する。

以上のように本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、撮像素子の大きさによって決定される限界の被写界深度以上に、被写界深度の浅い映像を撮影することができるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について、図１から図１０を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１に本発明の一実施の形態の撮像装置の構成図を示す。

図１において、１はレンズ、２はレンズ１からの入射光をＲ、Ｇ、Ｂの各波長成分に分光するプリズム群、３はＲチャンネル用撮像素子部、４はＧチャンネル用撮像素子部、５はＢチャンネル用撮像素子部、６は撮像素子部３、４、５からの映像信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバータ、７は被写体との距離を計測する距離センサ部、８は距離センサ部７からの距離情報をデジタル信号に変換するＡＤコンバータ、９はレンズ制御や距離センサ制御などを行う制御部、１０は演算部である。

レンズ１を通して集光された光は、プリズム群２でＲ、Ｇ、Ｂに分光され、分光された光は各チャンネル用の撮像素子部３、４、５にそれぞれ送られる。撮像素子部３、４、５では、プリズム群２からの光情報を電荷情報に光電変換し、アナログ映像信号を出力する。

制御部９は、フォーカス、絞り、ズーム等のレンズ制御を行う。ここで、図２を用いて画角とズームの関係について説明する。画角とは決められたイメージサイズの中に写しこむことが可能な範囲を角度で表したものであり、水平イメージサイズをＸ、垂直イメージサイズをＹ、焦点距離をｆとすると、水平画角ＷＨ、垂直画角ＷＶは次式で表される。

ズームレンズでは、ズーミングにより焦点距離を変化させることで画角を変えることが出来る。図３に焦点距離ｆと画角のイメージ図を示す。つまり、焦点距離ｆが大きい場合には画角が小さくなり、逆に焦点距離ｆが小さい場合には画角が大きくなる。

制御部９は、レンズ１を制御すると同時にレンズ１に送っている焦点距離ｆを距離センサ部７に送る。図４を用いて、距離センサ部７の動作を説明する。距離センサ部７の中心点は、レンズ１の中心点Ｃと同じ点となるようにカメラに取り付けられており、（数４）、（数５）で決定される水平画角ＷＨ、垂直画角ＷＶの領域をセンシングする（センシングエリア制御）。つまり、図３で示した映像エリアと全く同じ領域をセンシングすることになる。つまり、焦点距離が小さければより広範囲をセンシングし、焦点距離が大きくなるに連れて、センシングする範囲は狭くなるように制御する。これにより、如何なる倍率であっても、映像領域と同じ範囲の距離を計測することが可能となる。また、距離センサ部７は、ＣＣＤの画素ごとに距離を計測する。例えば３０万画素のＣＣＤの場合には、３０万個の距離データを計測することになる。また、図５に示すような方式で距離を測定しても良い。図５は、撮像素子に距離センサ機能を持たせたものであり、各画素が受光部と距離センサ部から構成され、画素ごとの距離計測が可能となる。

図６に示すように、被写体としてレンズから３ｍの距離に人物が、６ｍの距離に樹木が、∞に太陽が存在しているとすると、距離センサ部７の出力は、図７に示すように、人物を構成している画素（斜線で示す画素）は３ｍ、樹木の部分は６ｍ、太陽の部分は∞という距離が計測される。

また、上記制御部９は、レンズ１から読み取ったフォーカス距離を演算部１０に送る。フォーカス距離とは、焦点が合うレンズから被写体の距離のことであり、例えば、図６の場合に人物に焦点が合うようにフォーカスを制御した場合のフォーカス距離は３ｍとなる。

次に演算部１０の処理について図８を用いて説明する。演算部１０には、映像信号Ｒ、Ｇ、Ｂ、制御部９からフォーカス距離が、距離センサ部７で計測した画素ごとの計測距離が入力される。ここで、フォーカス距離をＬ、画素ｎの計測距離をＤｎとする。

まず、計測距離Ｄｎに対して水平、垂直の二次元ローパスフィルタリング処理を施して、ＬＰＤｎを得る。これは、被写体の境界付近での高域成分を除去することで、後で選択する、映像信号に施すローパスフィルタリングの特性をある程度段階的に変化させ、境界付近での画像のチラツキを抑制するものである。

その後、ＬＰＤｎとフォーカス距離Ｌの差の絶対値を演算し、その結果により映像信号に施すローパスフィルタリング特性を変化させる。図９に上記絶対値と選択するローパスフィルタの特性の関係図を示す。ＬＰＤｎとフォーカス距離Ｌが遠い場合、つまり上記絶対値が大きい場合には、図１０のａに示すような、帯域が狭いローパスフィルタ特性を選択し、映像をぼかす効果を大きくする。逆に、ＬＰＤｎとフォーカス距離Ｌが近い場合、つまり、上記絶対値が小さい場合には、図１０のｂに示すように、選択するローパスフィルタの帯域を広くし、ぼかす効果を小さくする。つまり、フォーカス距離に遠い映像ほど、帯域の狭いローパスフィルタ処理が施されるため、フォーカス距離から離れた映像領域は低域成分、つまりぼけた映像となる。

処理をまとめると次のようになる。
ステップ１（Ｓ１）
映像信号Ｒ、Ｇ、Ｂ、各画素の計測距離Ｄｎ、フォーカス距離Ｌの入力
ステップ２（Ｓ２）
各画素の計測距離Ｄｎに対して、水平及び垂直の二次元ローパスフィルタリング処理を施しＬＰＤｎを得る。

ＬＰＤｎ＝ＬＰＦ（Ｄｎ）
ＬＰＦは二次元ローパスフィルタリング処理を行う任意の関数である。
ステップ３（Ｓ３）
｜Ｌ−ＬＰＤｎ｜を演算し、ローパスフィルタ特性を選択する。
ステップ４（Ｓ４）
映像信号Ｒ、Ｇ、Ｂに対してローパスフィルタリング処理を施す。

以上、距離センサ部７で画素ごとの距離を計測し、計測した距離情報とフォーカス距離との差の絶対値に応じて、映像に適応するローパスフィルタの特性を変化させることで、擬似的に被写界深度の浅い映像を得ることが可能となる。

本発明にかかる撮像装置は、浅い被写界深度を必要とするカメラ画像処理等の用途として有用である。

本発明の一実施の形態における撮像装置の構成図カメラの画角についての説明図焦点距離と画角の関係のイメージ図本発明の一実施の形態における距離センサの動作範囲を示す図本発明の一実施の形態における距離センサの一構成例を示す図被写体の一例を示す図本発明の一実施の形態における距離センサの出力を示す図本発明の一実施の形態における演算処理のフローチャート本発明の一実施の形態におけるローパスフィルタ特性選択法を示す図本発明の一実施の形態におけるローパスフィルタ特性を示す図被写体の一例を示す図被写界深度の説明図

符号の説明

１レンズ
２プリズム群
３Ｒチャンネル用撮像素子部
４Ｇチャンネル用撮像素子部
５Ｂチャンネル用撮像素子部
６ＡＤコンバータ
７距離センサ部
８ＡＤコンバータ
９制御部
１０演算部

Claims

レンズから入射した光情報を電荷に変換する撮像素子部と、前記撮像素子部の複数の領域ごとに被写体と前記撮像素子部の距離を計測する距離センサ部と、レンズのフォーカス制御を行うレンズ制御部と、演算部を備え、前記演算部において、前記距離センサ部からの距離情報と、前記レンズ制御部からのフォーカス距離情報から、前記撮像素子部からの映像信号にローパスフィルタリング処理を行うことを特徴とする撮像装置。
前記演算部において、前記距離センサ部からの距離情報とフォーカス距離情報の差の絶対値に対応して、前記ローパスフィルタリング処理の特性を変化させることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
前記演算部において、前記距離センサ部からの距離情報にローパスフィルタリング処理を施すことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。