JP2009140496A - 電光カラー画像処理システム及びレンズシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電光カラー画像処理システムは、光サブシステム、ディテクタサブシステム及びディジタル画像処理サブシステムを含む。本システムは色相関のある対象を画像処理するのに使用される。光サブシステムでは、対象の異なるカラーチャネルの画像面は実質的に分離されている。そして、あるカラーチャネルは焦点を結んでいるが、他は焦点を結んでいなくてよい。ディテクタサブシステムは、光サブシステムから一定の画像距離にあり、対象の異なるカラーチャネル画像を捕捉する。カラーチャネル間の相関に関する経験的な推定に少なくとも部分的に基づいて、画像処理サブシステムは、捕捉したカラーチャネル画像を組み合わせることで、対象の画像を推定する。
【選択図】図2
Description
図1は電光画像処理システム100を設計する際の問題点を説明するためのブロック図である。画像処理システム100は、光サブシステム110、ディテクタサブシステム120及びディジタル画像処理システム130を含む。この特定の実施例の場合、ディジタル画像処理システム130は、ディテクタサブシステム120により捕捉された画像をフィルタリングするディジタルフィルタを含む。画像処理システム100は複数色の対象(オブジェクト又は事物)150を画像処理し、ディジタル画像180を生成する。対象に関する様々なカラーチャネルは相互に関連するものとする。この相関は先験的に分かっており、画像処理サブシステム130はその先験的な情報を使ってシステム全体の特性を改善する。従って画像処理システムの他の部分(例えば、光サブシステム)に関する設計条件を緩和することができる。設計の一般的な問題は、或る制約を受けながら、全体的な特性を「最適化」することである。多くの場合、最適化の目的は、入力の対象のアプリケーション特有の理想的な形式155に合致するディジタル画像180を生成することである。
ΔBFL=max{BFL}−min{BFL} (10)
ここで、max及びminは波長範囲λmin乃至λmaxにわたって取得される。多くの場合(例えば、図4の場合)、後方焦点距離の範囲は、
ΔBFL=BFL(λmax)−BFL(λmin) (11)
であり、max{BFL}はλmaxで生じ、min{BFL}はλminで生じる。
{BFL(λmax)−BFL(λmin)}/{2λmin[FN(λmin)]2} (12)
この量はクロマティック被写界深度比率(CDOFR)としてしばしば言及される。或る実施例では、CDOFR>5である。
一例として、ウェブカメラ画像処理システムの一般的な設計条件を満たす三重レンズシステム(triplet lens system)を考察する。このシステム例に対する条件は、F/3.0又はより高速であること、f=4.6mm、視野角40度、3.5ミクロンピッチの画素を備えた1/4”センサ(即ち、3.5ミクロン/4.6mm=0.75mrad角度分解能)、第1レンズ面からセンサまでのトラック全長が7mm未満であること(即ち、全長<1.5x焦点距離)、歪が5%未満であること(<5%)等である。このシステムは図15に示されるスペクトル応答を有するディテクタ用に設計される。
別の例として、VGAセルラ電話システムの以下の一般的な設計仕様に従う設計例をカラー相関に基づいて考察する:F/2.8又はより高速、f=2.4mm、60度の視野角、3.5ミクロンピッチの1/6”センサ、ベイヤパターン(Bayer pattern)の場合に図15に示されるスペクトル応答を有するRGBセンサ。その結果のレンズのクロマティック被写界深度比率は11.9である(その波長範囲について上記の60%の定義を使用している)。その結果のレンズは図11aに示され、以下の光学的諸元を有する。
次の例として、単独のポリカーボネート非球面プラスチックレンズに上記の概念を適用する。レンズは、3.5ミクロン画素の1/6”RGBセンサを使用し、±0.30度の視野角で3.8mmのトラック全長と共にF/3.0を達成する。焦点距離は2.6mmである。レンズ系は100mm乃至無限遠の範囲に及ぶ被写界深度のグレースケール画像処理を実行できる。本システムは図15に示されるスペクトル応答を有するRGBディテクタサブシステムについて設計されている。本システムは波長範囲について上記の60%の定義を使用し、7.6のクロマティック被写界深度比率を有する。図12aは単レンズ系(siglet)を示し、以下の光学的諸元を有する。
図14はカラー相関情報を考慮する代替方法を示す。この方法の場合、光サブシステムは、上述の例のように、様々な波長の画像面を分離するように設計される。その場合、青のカラー画像は焦点を結ぶかもしれないが、赤及び緑のカラー画像は焦点を結ばないかもしれない。しかしながら、ディテクタサブシステムは分離した赤、緑及び青のカラー画像を捕捉しない。その代わり、ディテクタサブシステムは、様々なカラーチャネルにわたって統合する際それらに応じた重みで統合することで、1つの多色画像−「ポリクロマティック(polychromatic)」画像を捕捉する。図14はディテクタの1つの可能なスペクトル感度を示す。スペクトル重みを考量することで、特定の波長又はカラーチャネルについてのMTFがたとえゼロ以下になったとしても、多色MTF(即ち、全ての波長にわたって統合された集合的なMTF)はゼロより大きく維持できる。
110 光サブシステム
120 ディテクタサブシステム
130 ディジタル画像処理システム
150 対象
155 理想的なディジタル画像
170 コスト
180 ディジタル画像
190 パフォーマンスメトリック
Claims (47)
- 少なくとも2つの異なるカラーチャネルで色相関のある対象を画像処理する電光カラー画像処理システムであって、
前記異なるカラーチャネルにわたって5より大きい半値全幅クロマティック被写界深度比率を有する光サブシステムと、
前記光サブシステムから一定の画像距離にあるディテクタサブシステムであって、前記異なるカラーチャネル各々において前記対象のカラーチャネル画像を捕捉するディテクタサブシステムと、
前記ディテクタサブシステムに結合されたディジタル画像処理サブシステムと、
を有し、前記ディジタル画像処理サブシステムは、前記対象の色相関の経験的な推定値に少なくとも部分的に基づいて、前記カラーチャネル画像を組み合わせることで、前記対象の画像を推定するようにした電光カラー画像処理システム。 - 前記光サブシステムが、前記異なるカラーチャネルにわたって2より大きい半値全幅クロマティック被写界深度比率を有する請求項1記載の電光カラー画像処理システム。
- 前記ディジタル画像処理サブシステムは、捕捉したカラーチャネル画像から前記対象の距離を少なくとも推定し、前記カラーチャネル及び前記対象の距離に基づいて鮮鋭化フィルタを用いてカラー画像を組み合わせる請求項1記載の電光カラー画像処理システム。
- 前記ディジタル画像処理サブシステムは、角度方向バンドパスフィルタを前記カラーチャネル画像に適用し、前記対象の距離を推定する請求項3記載の電光カラー画像処理システム。
- 前記ディジタル画像処理サブシステムは、回転対称バンドパスフィルタを前記カラーチャネル画像に適用し、前記対象の距離を推定する請求項3記載の電光カラー画像処理システム。
- 画像面が非平面である請求項1記載の電光カラー画像処理システム。
- 前記画像面が像面湾曲に起因して湾曲している請求項6記載の電光カラー画像処理システム。
- 所与の対象物の距離の場合に、前記カラーチャネルの1つが前記ディテクタサブシステムのアクティブ領域の第1の中心部分にわたって最良の焦点を結び、異なるカラーチャネルが前記アクティブ領域の別の環状部分にわたって最良の焦点を結んでいる請求項6記載の電光カラー画像処理システム。
- 所与の対象物の距離の場合に、前記カラーチャネルの1つが前記ディテクタサブシステムのアクティブ領域の第1の部分にわたって最良の焦点を結び、異なるカラーチャネルが前記アクティブ領域の別の部分にわたって最良の焦点を結んでいる請求項6記載の電光カラー画像処理システム。
- 前記アクティブ領域が色固有の画素を有し、色固有の画素各々は前記カラーチャネルの何れかに敏感であり、前記アクティブ領域の一部分における異なるカラーチャネルについての色固有の画素の濃度は、前記アクティブ領域の該一部分でどのカラーチャネルが最良の焦点を結ぶかに依存する請求項9記載の電光カラー画像処理システム。
- 或るカラーチャネルが最良の焦点を結ぶ前記アクティブ領域の該部分では、該カラーチャネルに対応する色固有の画素が最高の濃度を有する請求項1記載の電光カラー画像処理システム。
- 前記ディテクタサブシステムが、前記対象の3つのカラーチャネル画像を捕捉する請求項1記載の電光カラー画像処理システム。
- 前記3つのカラーチャネル画像は、赤のカラー画像、緑のカラー画像及び青のカラー画像である請求項12記載の電光カラー画像処理システム。
- 少なくとも1つのカラーチャネル画像が、赤外カラーチャネル画像である請求項1記載の電光カラー画像処理システム。
- 前記ディテクタサブシステムのナイキスト周波数より低い全ての空間周波数について、該カラーチャネル全てについての色固有のMTFはゼロより大きいままである請求項1記載の電光カラー画像処理システム。
- 前記ディテクタサブシステムのナイキスト周波数より低い全ての空間周波数について、該カラーチャネルの少なくとも1つについての色固有のMTFはゼロより大きいままである請求項1記載の電光カラー画像処理システム。
- 前記光サブシステムが回折光学素子を有する請求項1記載の電光カラー画像処理システム。
- 最小波長及び最大波長で規定される波長範囲において広範囲のスペクトルで色相関のある対象を画像処理する電光カラー画像処理システムであって、
前記波長範囲で5より大きいクロマティック被写界深度比率を有する光サブシステムと、
前記光サブシステムから一定の画像距離にあるディテクタサブシステムと、
を有し、前記ディテクタサブシステムは前記対象の有色画像を捕捉し、前記ディテクタサブシステムのナイキスト周波数より低い全ての空間周波数について有色MTFがゼロより大きいままであるように、前記ディテクタサブシステムのスペクトル感度は重み付けられているようにした電光カラー画像処理システム。 - 前記波長範囲内の少なくとも1つの波長についてのMTFが、前記ナイキスト周波数より低い空間周波数でゼロ以下に落ち込む請求項18記載の電光カラー画像処理システム。
- 前記対象がグレースケールの対象である請求項18記載の電光カラー画像処理システム。
- 画像面が非平面である請求項18記載の電光カラー画像処理システム。
- 画像面が図面湾曲に起因して湾曲している請求項21記載の電光カラー画像処理システム。
- 所与の対象物の距離の場合に、前記波長範囲中の異なる波長は、前記ディテクタサブシステムの前記アクティブ領域の異なる部分で最良の焦点を結ぶ請求項21記載の電光カラー画像処理システム。
- 前記アクティブ領域がディテクタ画素を有し、ディテクタ画素各々は或るスペクトル感度を有し、該スペクトル感度は、前記ディテクタ画素の場所でどの波長が最良の焦点を結ぶかに応じて異なる請求項23記載の電光カラー画像処理システム。
- 前記アクティブ領域がディテクタ画素を有し、ディテクタ画素各々はカラーフィルタ及び下地ディテクタを有し、該下地ディテクタ各々は、同じブロードバンドスペクトル感度を有し、前記カラーフィルタのスペクトル感度は、前記ディテクタ画素の場所でどの波長が最良の焦点を結ぶかに応じて異なる請求項23記載の電光カラー画像処理システム。
- 多色の対象を画像処理する三重レンズ系であって、前記対象から画像面にかけて、第1レンズ、第2レンズ及び第3レンズを有し、前記第1レンズ、前記第2レンズ及び前記第3レンズの各々は、40より少ないアッベ数を有する材料で構成されるようにした三重レンズ系。
- 前記の3つのレンズが協働して機能し、当該三重レンズ系の動作する波長範囲内の異なる画像カラーチャネルが、軸方向に隔たった画像面に向かうようにする請求項26記載の三重レンズ系。
- 前記動作する波長範囲が、約450nm乃至650nmに少なくとも及び、赤のカラーチャネル、緑のカラーチャネル及び青のカラーチャネルを含む請求項27記載の三重レンズ系。
- 前記第1レンズ及び前記第2レンズ間に設けられた開口絞りを有する請求項27記載の三重レンズ系。
- F/3.0又はより高速の実効F/#、0.75mrad又はより良好な角度分解能を伴う少なくとも40度の視野角、5%未満の歪及び当該三重レンズ系の焦点距離の1.5倍より短い総トラック長の性質を有する請求項27記載の三重レンズ系。
- 約100mmの対象物距離dから無限遠の対象物距離dに至るクロマティック被写界深度を有する請求項27記載の三重レンズ系。
- 前記第1及び前記第2レンズ間に設けられた開口絞りを更に有し、動作の前記波長範囲が、約450nm乃至650nmに少なくとも及び、赤のカラーチャネル、緑のカラーチャネル及び青のカラーチャネルを含み、当該三重レンズ系は、F/3.0又はより高速の実効F/#、0.75mrad又はより良好な角度分解能を伴う少なくとも40度の視野角、5%未満の歪及び当該三重レンズ系の焦点距離の1.5倍より短い総トラック長、及び前記波長範囲にわたって10より大きいクロマティック被写界深度比率の性質を有する請求項27記載の三重レンズ系。
- 前記波長範囲にわたって10より大きいクロマティック被写界深度比率を有する請求項27記載の三重レンズ系。
- 多色の対象を画像処理する二重レンズ系であって、前記対象から画像面にかけて、第1レンズ及び第2レンズを有し、前記第1レンズ及び前記第2レンズは、35より少ないアッベ数を有する材料で構成されるようにした二重レンズ系。
- 前記第1レンズ及び前記第2レンズの各々はポリカーボネートを含む請求項34記載の二重レンズ系。
- 動作する波長範囲が、約450nm乃至650nmに少なくとも及び、赤のカラーチャネル、緑のカラーチャネル及び青のカラーチャネルを含む請求項35記載の二重レンズ系。
- 前記第1レンズ前方に設けられた開口絞りを有する請求項35記載の二重レンズ系。
- F/2.8又はより高速の実効F/#、1.5mrad又はより良好な角度分解能を伴う少なくとも60度の視野角、及び当該二重レンズ系の焦点距離の1.7倍より短い総トラック長、及び当該二重レンズ系の動作する波長範囲にわたって少なくとも8であるクロマティック被写界深度比率の性質を有する請求項35記載の二重レンズ系。
- 約90mmの対象物距離dから無限遠の対象物距離dに至る被写界深度を有する請求項35記載の二重レンズ系。
- 前記第1レンズ前方に設けられた開口絞りを有し、動作する波長範囲が、約450nm乃至650nmに少なくとも及び、赤のカラーチャネル、緑のカラーチャネル及び青のカラーチャネルを含み、当該二重レンズ系は、F/3.2又はより高速の実効F/#、1.5mrad又はより良好な角度分解能を伴う少なくとも50度の視野角、及び当該二重レンズ系の焦点距離の1.7倍より短い総トラック長、及び前記波長範囲にわたって少なくとも8であるクロマティック被写界深度比率の性質を有する請求項35記載の二重レンズ系。
- 当該二重レンズ系の動作する波長範囲にわたって8より大きいクロマティック被写界深度比率を有する請求項34記載の二重レンズ系。
- 多色の対象を画像処理する単レンズ系であって、当該単レンズ系の動作する波長範囲内で異なるカラーチャネルを、軸方向に隔たった画像面に対して画像処理し、当該単レンズ系は、前記波長範囲で5より大きいクロマティック被写界深度を有するようにした単レンズ系。
- 前記多色の対象が、約450nm乃至650nmに少なくとも及び、赤のカラーチャネル、緑のカラーチャネル及び青のカラーチャネルを含む請求項42記載の単レンズ系。
- 第1レンズ前方に設けられた開口絞りを有する請求項42記載の単レンズ系。
- F/3.2又はより高速の実効F/#、1mrad又はより良好な角度分解能を伴う少なくとも50度の視野角、及び当該単レンズ系の焦点距離の1.2倍より短い総トラック長の性質を有する請求項42記載の単レンズ系。
- 約100mmの対象物距離dから無限遠の対象物距離dに至る被写界深度を有する請求項42記載の単レンズ系。
- 第1レンズ前方に設けられた開口絞りを有し、前記多色の対象が、約450nm乃至650nmに少なくとも及び、赤のカラーチャネル、緑のカラーチャネル及び青のカラーチャネルを含み、当該単レンズ系が、F/3.0又はより高速の実効F/#、1mrad又はより良好な角度分解能を伴う少なくとも60度の視野角、及び当該単レンズ系の焦点距離の1倍より短い総トラック長の性質を有する請求項42記載の単レンズ系。
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