JP2011151448A - Imaging apparatus and electronic device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent degradation of a depth expanding function even when a diaphragm diameter is changed corresponding to a photographing mode, in an imaging apparatus using a depth expanding optical system capable of simplifying an optical system and reducing costs by eliminating the need of a lens driving mechanism. <P>SOLUTION: The imaging apparatus includes: a variable diaphragm 214; an aberration control optical system 210 having an aberration control function of intentionally generating aberration; an imaging element 220; and an image processor 240 for forming a primary image into a high-definition final image. The aberration characteristic of the aberration control optical system 210A has a depth expanding effect (function) even when the aperture of the variable diaphragm 214 is changed corresponding to the photographing mode. The aberration control optical system 210A is capable of selecting a plurality of F values by changing the aperture of the variable diaphragm 214. Also, the aberration characteristic of the aberration control optical system 210A has a plurality (two or more) of inflection points within the effective diameter of the variable diaphragm 214. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、撮像素子を用い、光学系を備えた撮像装置および電子機器に関するものである。   The present invention relates to an imaging apparatus and an electronic apparatus that include an imaging device and includes an optical system.

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。   In response to the digitization of information, which has been rapidly developing in recent years, the response in the video field is also remarkable.

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。   In particular, as symbolized by a digital camera, a CCD (Charge Coupled Device) or CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sensor, which is a solid-state image sensor, is used in most cases instead of a conventional film.

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。   As described above, an imaging lens device using a CCD or CMOS sensor as an imaging element is for taking an image of a subject optically by an optical system and extracting it as an electrical signal by the imaging element. In addition to a digital still camera, It is used in video cameras, digital video units, personal computers, mobile phones, personal digital assistants (PDAs), image inspection devices, industrial cameras for automatic control, and the like.

図17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。   FIG. 17 is a diagram schematically illustrating a configuration and a light flux state of a general imaging lens device.

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。   The imaging lens device 1 includes an optical system 2 and an imaging element 3 such as a CCD or CMOS sensor.

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。   In the optical system, the object side lenses 21 and 22, the diaphragm 23, and the imaging lens 24 are sequentially arranged from the object side (OBJS) toward the image sensor 3 side.

撮像レンズ装置1においては、図17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。   In the imaging lens device 1, as shown in FIG. 17, the best focus surface is matched with the imaging device surface.

図18(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。   FIGS. 18A to 18C show spot images on the light receiving surface of the imaging element 3 of the imaging lens device 1.

また、位相板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)。   In addition, imaging devices have been proposed in which light beams are regularly dispersed by a phase plate and restored by digital processing to enable imaging with a deep depth of field (for example, Non-Patent Documents 1 and 2 and Patent Documents). 1-5).

また、伝達関数を用いたフィルタ処理を行うデジタルカメラの自動露出制御システムが提案されている(たとえば特許文献6参照)。   In addition, an automatic exposure control system for a digital camera that performs filter processing using a transfer function has been proposed (see, for example, Patent Document 6).

また、CCD、CMOSなどの画像入力機能を持った装置においては、たとえば風景など、所望の映像とともに、バーコード等の近接静止画像を読み取ることが、極めて有用であることが多い。   In addition, in an apparatus having an image input function such as a CCD or CMOS, it is often very useful to read a close still image such as a barcode together with a desired image such as a landscape.

バーコードの読み取りは、たとえば第一の例としてレンズを繰り出すオートフォーカスでピントを合わせる技術や、第二の例として深度拡張技術としては、たとえばカメラにおいてF値を絞ることで被写界深度を広げて固定ピントとしているものがある。   For barcode reading, for example, as a first example, a technique for focusing by auto-focusing that extends a lens, and as a second example as a depth expansion technique, the depth of field is expanded by, for example, reducing the F value in a camera. Some have fixed focus.

USP6,021,005USP 6,021,005 USP6,642,504USP 6,642,504 USP6,525,302USP 6,525,302 USP6,069,738USP 6,069,738 特開2003−235794号公報JP 2003-235794 A 特開2004−153497号公報JP 2004-153497 A

“Wavefront Coding;jointly optimized optical and digital imaging systems”,Edward R.Dowski,Jr.,RobertH.Cormack,Scott D.Sarama.“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.,GregoryE.Johnson.“Wavefront Coding; A modern method of achieving high performance and / or low cost imaging systems”, Edward R. Dowski, Jr., Gregory E. Johnson.

上述した技術では、画像復元処理が前提となっていて画像処理に伴うノイズ、コストの増加が問題となる。さらに復元処理には光学的伝達関数(OTF:Optical
Transfer Function)が物体距離に依存してはならないため、アウトフォーカスしてもOTFが一定となる光学系を設計しなければならない。
In the technique described above, image restoration processing is premised, and noise and cost increase associated with image processing are problematic. Furthermore, an optical transfer function (OTF: Optical) is used for the restoration process.
Since (Transfer Function) must not depend on the object distance, an optical system in which the OTF remains constant even after out-of-focus must be designed.

また、ある特性のF値に対し深度拡張を実現しても、通常、絞り径を変化させることで、深度拡張作用は失われる、もしくは効率が著しく落ちるという不利益があるが、一般的な撮影において様々な環境条件に対応するためには、絞り径を可変させることは非常に重要な要素である。特に近接撮影を要する場合は絞り径を可変とすることにより更なる深度の拡張が可能となり、撮影の幅を広げることが期待できる。   Also, even if depth expansion is realized for an F value of a certain characteristic, there is a disadvantage that the depth expansion action is usually lost or the efficiency is remarkably reduced by changing the aperture diameter. In order to cope with various environmental conditions, it is very important to vary the aperture diameter. In particular, when close-up photography is required, it is possible to expand the depth further by making the aperture diameter variable, and it can be expected to widen the photographing range.

本発明は、絞り径を変化させても深度拡張機能の低下を防止し、特に近接撮影においても必要な深度を得ること可能な撮像装置および電子機器を提供することにある。   It is an object of the present invention to provide an imaging apparatus and an electronic apparatus that can prevent a decrease in depth expansion function even when the aperture diameter is changed, and can obtain a necessary depth even in close-up photography.

本発明の第1の観点の撮像装置は、収差を発生させる収差制御機能を有する収差制御部を含む収差制御光学系と、前記収差制御光学系を通過する光束を制限し、開口径の大きさを変更可能な絞りと、前記収差制御光学系を通過した被写体像を撮像する撮像素子と、複数の撮影モードを選択可能な撮影モード選択部と、を有し、前記絞りは前記撮影モードの選択に応じて開口径を設定し、かつ前記収差制御光学系の収差特性は、前記絞りの有効径内に複数の変曲点を有して、前記絞りを開放より絞り込んだ状態においても深度拡張効果を発現する。   An imaging apparatus according to a first aspect of the present invention includes an aberration control optical system including an aberration control unit having an aberration control function for generating aberrations, and restricts a light beam that passes through the aberration control optical system, and a size of an aperture diameter. An aperture that can change the image, an image sensor that captures the subject image that has passed through the aberration control optical system, and a shooting mode selection unit that can select a plurality of shooting modes. The aperture selects the shooting mode. And the aberration characteristic of the aberration control optical system has a plurality of inflection points within the effective diameter of the diaphragm, and the depth expansion effect even when the diaphragm is further narrowed from the open position. Is expressed.

好適には、前記撮影モードには近接撮影を要する撮影モードが含まれ、
前記撮影モードの選択部によって前記近接撮影を要する撮影モードが選択された場合に、前記絞りは開放より絞り込んだ状態にする。
Preferably, the shooting mode includes a shooting mode that requires close-up shooting,
When the shooting mode that requires close-up shooting is selected by the shooting mode selection unit, the aperture is set to a state of being narrowed from the open position.

好適には、前記収差制御光学系のディフォーカスに対するMTF特性において、任意の周波数の主像面シフト領域で複数のピークを持つ。   Preferably, the aberration control optical system has a plurality of peaks in the main image plane shift region of an arbitrary frequency in the MTF characteristic against defocus of the aberration control optical system.

好適には、前記収差制御部は、球面収差を発生させることによって深度を拡張させる機能を含む。   Preferably, the aberration control unit includes a function of expanding the depth by generating spherical aberration.

好適には、前記収差制御光学系は、前記収差制御機能を有する収差制御部が前記絞りに隣接して配置されている。   Preferably, in the aberration control optical system, an aberration control unit having the aberration control function is disposed adjacent to the stop.

前記収差制御光学系は、前記絞りの開口径が何れの大きさであっても深度拡張効果を有する。   The aberration control optical system has a depth expansion effect regardless of the aperture diameter of the stop.

好適には、前記収差制御光学系の収差特性は、前記可変絞りが開放の口径の場合に光線が通過する領域から前記収差制御機能による深度拡張効果を有する最小の絞り径の場合に光線が通過する領域を除く領域で一つ以上の変曲点を有する。   Preferably, the aberration characteristic of the aberration control optical system is such that the light beam passes from the region through which the light beam passes when the variable diaphragm has an open aperture, when the aperture diameter is minimum and has a depth extending effect by the aberration control function. One or more inflection points are provided in the region excluding the region to be operated.

好適には、前記収差制御光学系の収差特性は、前記絞りの開口径内で生じる球面収差カーブに3つ以上の変曲点を有する。   Preferably, the aberration characteristic of the aberration control optical system has three or more inflection points in a spherical aberration curve generated within the aperture diameter of the stop.

好適には、前記球面収差カーブの振幅量は、中心部から周辺部にかけて、徐々に大きくなる特性を有する。   Preferably, the amount of amplitude of the spherical aberration curve has a characteristic of gradually increasing from the central part to the peripheral part.

好適には、前記撮像素子で得られた画像信号に対して画像処理を施し、前記収差制御光学系の収差により低下した画像特性を向上させる画像処理部を有する。   Preferably, the image processing unit includes an image processing unit that performs image processing on an image signal obtained by the imaging device and improves image characteristics that are deteriorated due to the aberration of the aberration control optical system.

本発明の第2の観点の電子機器は、撮像装置を有し、前記撮像装置は、収差を発生させる収差制御機能を有する収差制御部を含む収差制御光学系と、前記収差制御光学系を通過する光束を制限し、開口径の大きさを変更可能な絞りと、前記収差制御光学系を通過した被写体像を撮像する撮像素子と、複数の撮影モードを選択可能な撮影モード選択部と、を有し、前記絞りは前記撮影モードの選択に応じて開口径を設定し、かつ前記収差制御光学系の収差特性は、前記絞りの有効径内に複数の変曲点を有して、前記絞りを開放より絞り込んだ状態においても深度拡張効果を発現する。   An electronic apparatus according to a second aspect of the present invention includes an imaging device, and the imaging device passes through the aberration control optical system including an aberration control optical system including an aberration control unit having an aberration control function for generating aberration. A diaphragm capable of limiting the luminous flux to be changed and changing the size of the aperture diameter, an image sensor that captures a subject image that has passed through the aberration control optical system, and a shooting mode selection unit that can select a plurality of shooting modes. The aperture has an aperture diameter set according to the selection of the shooting mode, and the aberration characteristic of the aberration control optical system has a plurality of inflection points within the effective diameter of the aperture, Depth expansion effect is exhibited even when the aperture is narrowed from the open position.

本発明によれば、光学系を簡単化でき、コスト低減を図ることができることはもとより、画像復元処理を施さなくても深度拡張することができ、撮影モードの選択に応じて絞り径を変化させても深度拡張機能の低下を防止することができる。   According to the present invention, not only can the optical system be simplified and the cost can be reduced, but also the depth can be expanded without performing image restoration processing, and the aperture diameter can be changed according to the selection of the shooting mode. However, it is possible to prevent the depth extension function from being lowered.

本発明の実施形態に係る電子機器としての情報コード読取装置の一例を示す外観図である。It is an external view which shows an example of the information code reader as an electronic device which concerns on embodiment of this invention. 情報コードの例を示す図である。It is a figure which shows the example of an information code. 図1の情報コード読取装置に適用される撮像装置の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the imaging device applied to the information code reader of FIG. 本実施形態に係る光学系を形成する撮像レンズユニットの基本構成例を示す図である。It is a figure which shows the basic structural example of the imaging lens unit which forms the optical system which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る収差制御光学系の球面収差発生量について説明するための図であって、撮像素子(センサ)を固定したときのセンサとPSFとの関係を示す図である。It is a figure for demonstrating the spherical aberration generation amount of the aberration control optical system which concerns on this embodiment, Comprising: It is a figure which shows the relationship between a sensor and PSF when an image pick-up element (sensor) is fixed. 本実施形態に係る収差制御光学系の球面収差発生量について説明するための図であって、収差制御光学系を固定したときのセンサとPSFとの関係を示す図である。It is a figure for demonstrating the spherical aberration generation amount of the aberration control optical system which concerns on this embodiment, Comprising: It is a figure which shows the relationship between a sensor and PSF when an aberration control optical system is fixed. 通常光学系および本実施形態に係る収差制御光学系のディフォーカスに対するMTFの状態を示す図である。It is a figure which shows the state of MTF with respect to the defocus of the normal optical system and the aberration control optical system which concerns on this embodiment. 高周波のOTF変動を抑えた収差制御光学系における任意の周波数でディフォーカスに対するMTFが2分できることを示す図である。It is a figure which shows that MTF with respect to a defocus can be performed for 2 minutes in the arbitrary frequencies in the aberration control optical system which suppressed the high frequency OTF fluctuation | variation. 低周波のOTF変動を抑えた収差制御光学系における任意の周波数でディフォーカスに対するMTFが2分できることを示す図である。It is a figure which shows that MTF with respect to a defocus can be divided into 2 by the arbitrary frequency in the aberration control optical system which suppressed the OTF fluctuation | variation of the low frequency. 撮影モードに応じた絞り径の違いによる球面収差とディフォーカスMTF、および本光学系と通常光学系との深度を比較して示す図である。It is a figure which compares and shows the spherical aberration by the difference in aperture diameter according to imaging | photography mode, defocus MTF, and the depth of this optical system and a normal optical system. 球面収差カーブにおける変曲点の数の違いによる球面収差とディフォーカスMTFを比較して示す図である。It is a figure which compares and shows the spherical aberration and defocus MTF by the difference in the number of inflection points in a spherical aberration curve. 本実施形態に係る画像処理装置におけるMTF補正処理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the MTF correction process in the image processing apparatus which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る画像処理装置におけるMTF補正処理を具体的に説明するための図である。It is a figure for demonstrating concretely the MTF correction process in the image processing apparatus which concerns on this embodiment. 通常の光学系の場合において物体が焦点位置にあるときと焦点位置から外れたときのMTFのレスポンス(応答)を示す図である。It is a figure which shows the response (response) of MTF when an object exists in a focus position in the case of a normal optical system, and when it remove | deviated from a focus position. 収差制御素子を有する本実施形態の光学系の場合において物体が焦点位置にあるときと焦点位置から外れたときのMTFのレスポンスを示す図である。It is a figure which shows the response of MTF when an object exists in a focus position and remove | deviates from a focus position in the case of the optical system of this embodiment which has an aberration control element. 本実施形態に係る撮像装置の画像処理後のMTFのレスポンスを示す図である。It is a figure which shows the response of MTF after the image process of the imaging device which concerns on this embodiment. 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。It is a figure which shows typically the structure and light beam state of a general imaging lens apparatus. 図17の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あって、(A)は焦点が0.2mmずれた場合(Defocus=0.2mm)、(B)が合焦点の場合(Best focus)、(C)が焦点が−0.2mmずれた場合(Defocus=−0.2mm)の各スポット像を示す図である。FIG. 18A is a diagram showing a spot image on the light receiving surface of the imaging element of the imaging lens apparatus of FIG. 17, where FIG. In the case (Best focus), (C) is a diagram showing each spot image when the focal point is shifted by -0.2 mm (Defocus = -0.2 mm).

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

図1は、本発明の実施形態に係る電子機器としての情報コード読取装置の一例を示す外観図である。   FIG. 1 is an external view showing an example of an information code reader as an electronic apparatus according to an embodiment of the present invention.

図2(A)〜(C)は、情報コードの例を示す図である。   2A to 2C are diagrams illustrating examples of information codes.

図3は、図1の情報コード読取装置に適用可能な撮像装置の構成例を示すブロック図である。   FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration example of an imaging apparatus applicable to the information code reading apparatus in FIG.

なおここでは、本実施形態の撮像装置が適用可能な装置として、情報コード読取装置を例示している。   Here, an information code reader is illustrated as an apparatus to which the imaging apparatus of the present embodiment is applicable.

本実施形態に係る情報コード読取装置100は、図1に示すように、本体110がケーブル111を介して図示しない電子レジスタ等の処理装置と接続され、たとえば読み取り対象物120に印刷された反射率の異なるシンボル、コード等の情報コード121を読み取り可能な装置である。   As shown in FIG. 1, the information code reader 100 according to the present embodiment has a main body 110 connected to a processing device such as an electronic register (not shown) via a cable 111, for example, a reflectance printed on a reading object 120. It is a device that can read the information code 121 such as a different symbol or code.

読み取り対象の情報コードとしては、たとえば図2(A)に示すような、JANコードのような1次元のバーコード122と、図2(B)および(C)に示すようなスタック式のCODE49、あるいはマトリックス方式のQRコードのような2次元のバーコード123が挙げられる。   As an information code to be read, for example, a one-dimensional bar code 122 such as a JAN code as shown in FIG. 2A, a stack-type CODE 49 as shown in FIGS. 2B and 2C, Alternatively, a two-dimensional barcode 123 such as a matrix type QR code can be used.

本実施形態に係る情報コード読取装置100は、本体110内に、図示しない照明光源と、図3に示すような撮像装置200とが配置されている。   In the information code reading apparatus 100 according to the present embodiment, an illumination light source (not shown) and an imaging apparatus 200 as shown in FIG.

撮像装置200は、後で詳述するように、光学系に収差制御部(収差制御面、または収差制御素子)を適用し、収差制御部により収差(本実施形態においては球面収差)を意図的に発生させ、深度拡張機能を有し、かつ、可変絞りの口径を変化させても深度拡張機能を持続する収差制御光学系システムというシステムを採用し、JANコードのような1次元のバーコードとQRコードのような2次元のバーコードのような情報コードを的確に高精度で読み取ることが可能に構成されている。   As will be described in detail later, the imaging apparatus 200 applies an aberration control unit (aberration control surface or aberration control element) to the optical system, and intentionally applies aberration (spherical aberration in the present embodiment) by the aberration control unit. The system uses an aberration control optical system that has a depth expansion function and maintains the depth expansion function even if the aperture of the variable aperture is changed. An information code such as a two-dimensional bar code such as a QR code can be accurately read with high accuracy.

また、撮像装置200は、上記構成に加えて、ディフォーカスに対する変調伝達関数(MTF:Modulation Transfer Function)において、任意の周波数の主像面シフト領域で1つではなく、2つ以上のピークを持たせることで、MTFピーク値の低下を抑えつつ深度拡張を可能にする収差制御光学系システムを採用し、JANコードのような1次元のバーコードとQRコードのような2次元のバーコードのような情報コードを的確に高精度で読み取ることが可能に構成されている。   In addition to the above configuration, the imaging apparatus 200 has two or more peaks instead of one in the main image plane shift region of an arbitrary frequency in a modulation transfer function (MTF) for defocus. By adopting an aberration control optical system that enables depth expansion while suppressing a decrease in the MTF peak value, a one-dimensional barcode such as a JAN code and a two-dimensional barcode such as a QR code are used. A simple information code can be accurately read with high accuracy.

情報コード読取装置100の撮像装置200は、図3に示すように、収差制御光学系210、撮像素子220、アナログフロントエンド部(AFE)230、画像処理装置240、カメラ信号処理部250、画像表示メモリ260、画像モニタリング装置270、操作部280、および制御装置290を有している。   As shown in FIG. 3, the imaging apparatus 200 of the information code reading apparatus 100 includes an aberration control optical system 210, an imaging element 220, an analog front end unit (AFE) 230, an image processing device 240, a camera signal processing unit 250, and an image display. A memory 260, an image monitoring device 270, an operation unit 280, and a control device 290 are provided.

図4は、本実施形態に係る収差制御光学系を形成する撮像レンズユニットの基本構成を示す図である。   FIG. 4 is a diagram showing a basic configuration of an imaging lens unit forming the aberration control optical system according to the present embodiment.

収差制御光学系210Aは、被写体物体OBJを撮影した像を撮像素子220に供給する。また、収差制御光学系210Aは、物体側から順に、第1レンズ211、第2レンズ212、第3レンズ213、可変絞り214、第4レンズ215、第5レンズ216が配置されている。   The aberration control optical system 210 </ b> A supplies an image obtained by photographing the subject object OBJ to the image sensor 220. In the aberration control optical system 210A, a first lens 211, a second lens 212, a third lens 213, a variable aperture 214, a fourth lens 215, and a fifth lens 216 are arranged in order from the object side.

本実施形態の収差制御光学系210Aは、第4レンズ215と第5レンズ216が接続されている。すなわち、本実施形態の収差制御光学系210Aのレンズユニットは、接合レンズを含んで構成されている。   In the aberration control optical system 210A of this embodiment, a fourth lens 215 and a fifth lens 216 are connected. That is, the lens unit of the aberration control optical system 210A of the present embodiment is configured to include a cemented lens.

そして、本実施形態の収差制御光学系210Aは、収差を意図的に発生させる収差制御機能を有する収差制御面を適用した光学系として構成されている。   The aberration control optical system 210A of the present embodiment is configured as an optical system to which an aberration control surface having an aberration control function for intentionally generating aberration is applied.

本実施形態においては、球面収差のみを発生させるために、収差制御面を挿入する必要がある。なお、収差制御効果は別素子の収差制御素子を挿入しても良い。   In this embodiment, it is necessary to insert an aberration control surface in order to generate only spherical aberration. As an aberration control effect, an aberration control element as a separate element may be inserted.

その例を示すと図4のようになり、通常の光学系に収差制御面(第3レンズR2面)を含んだ形となっている。   An example of this is shown in FIG. 4 and includes a normal optical system including an aberration control surface (third lens R2 surface).

ここでいう収差制御面とは、収差制御素子の持つ収差制御効果をレンズ面に内包したものをいう。好適には収差制御面213aは可変絞り214に隣接していることが好ましい。   The aberration control surface here refers to a lens surface that includes the aberration control effect of the aberration control element. The aberration control surface 213a is preferably adjacent to the variable stop 214.

そして、本実施形態の収差制御光学系210Aの収差特性は、可変絞り214の口径が変化しても深度拡張効果(機能)を有する。   The aberration characteristics of the aberration control optical system 210A of the present embodiment have a depth expansion effect (function) even if the aperture of the variable diaphragm 214 changes.

ここで、収差制御光学系210Aは、可変絞り214の口径を変化させることで複数のF値が選択可能であり、選択可能なF値のいずれにおいても、収差制御素子または収差制御面の効果により深度拡張を行うことが可能である。   Here, the aberration control optical system 210A can select a plurality of F values by changing the aperture of the variable stop 214, and any of the selectable F values depends on the effect of the aberration control element or the aberration control surface. It is possible to perform depth extension.

本実施形態の収差制御光学系210Aの収差特性は、可変絞り214の有効径内に複数(2つ以上)の変曲点を有する。   The aberration characteristic of the aberration control optical system 210 </ b> A of the present embodiment has a plurality (two or more) inflection points within the effective diameter of the variable stop 214.

さらに、本実施形態の収差制御光学系210Aの収差特性は、可変絞り214が開放の口径の場合に光線が通過する領域から収差制御機能による深度拡張効果を有する最小の絞り径の場合に光線が通過する領域を除く領域で一つ以上の変曲点を有する。   Furthermore, the aberration characteristics of the aberration control optical system 210A of the present embodiment are such that when the variable stop 214 has an open aperture, the light beam is transmitted from the region where the light beam passes to the minimum aperture diameter that has a depth expansion effect by the aberration control function. It has one or more inflection points in the area excluding the passing area.

換言すると、本実施形態の収差制御光学系210Aの収差特性は、深度拡張作用を期待されるF値の中で、最も明るいF値の時に光線が通過する収差制御面の領域と最も暗いF値の時に光線が通過する収差制御面の領域の間で、一つ以上の変曲点を有する。   In other words, the aberration characteristics of the aberration control optical system 210A of this embodiment are the F value expected to have a depth expansion effect, the region of the aberration control surface through which the light beam passes at the brightest F value, and the darkest F value. And having one or more inflection points between the regions of the aberration control surface through which the light beam passes.

本実施形態の収差制御光学系210Aにおいては、収差制御機能を有する収差制御面を内包する収差制御光学系を用いてPSFを2画素以上にまたがるようにし、所定の周波数において偽解像しない主像面シフト領域でディフォーカスに対するMTF特性が2つ以上のピークを持つ深度拡張光学系として構成される。   In the aberration control optical system 210A of the present embodiment, the main image that is not pseudo-resolved at a predetermined frequency is set such that the PSF spans two or more pixels by using an aberration control optical system including an aberration control surface having an aberration control function. This is configured as a depth extension optical system having two or more peaks with respect to defocusing in the surface shift region.

一般的な光波面変調機能を用いた深度拡張光学系ではMTF特性において1つのピークの裾野を広げて深度を拡張するが、これではそれと引き換えにMTF特性のピーク値が下がってしまう。   In a depth extension optical system using a general optical wavefront modulation function, the base of one peak is expanded in the MTF characteristics to expand the depth. In exchange for this, the peak value of the MTF characteristics decreases.

本実施形態においては、収差制御機能を用いてピークを複数持つようにすることで、ピーク値の低下を抑えつつ深度拡張を実現できる。   In the present embodiment, by having a plurality of peaks using the aberration control function, depth extension can be realized while suppressing a decrease in peak value.

球面収差を適切に制御することで画像復元処理を施さなくても深度拡張することができる。   By appropriately controlling the spherical aberration, it is possible to extend the depth without performing image restoration processing.

具体的には、本実施形態の収差制御光学系210Aは、主に球面収差を発生させる収差制御素子、または収差制御面によりディフォーカスに対するMTFのピークを複数に分ける(ここでは2分する)ことでアウトフォーカスにおけるOTFの変化を制御でき、深度を拡張することができる。そして、ピークを分割させるために、球面収差に変曲点を持たせる。   Specifically, the aberration control optical system 210A of the present embodiment divides the MTF peak for defocus into a plurality of parts (here, divided into two) by an aberration control element that mainly generates spherical aberration or an aberration control surface. Can control the change of OTF in the out-of-focus state and can extend the depth. In order to divide the peak, an inflection point is given to the spherical aberration.

上述したように、球面収差に2つ以上の変曲点を適切に持たせることで複数の絞り口径の選択に対し、深度拡張を実現することができる。   As described above, it is possible to realize depth expansion with respect to selection of a plurality of aperture diameters by appropriately giving two or more inflection points to the spherical aberration.

そして、上述したように、深度拡張作用を期待されるF値の中で、最も明るいF値の時に光線が通過する収差制御面の領域と最も暗いF値の時に光線が通過する収差制御面の領域の間で、ひとつ以上の変曲点を有することが望ましい。   As described above, among the F values expected to have a depth expansion effect, the region of the aberration control surface through which the light beam passes at the brightest F value and the aberration control surface through which the light beam passes at the darkest F value. It is desirable to have one or more inflection points between regions.

この構成を採用することにより、F値を変化させた場合でも効率よく深度拡張作用を得られる。   By adopting this configuration, even when the F value is changed, it is possible to efficiently obtain the depth extending action.

以下、この収差制御光学系210Aの特徴的な構成、機能についてさらに詳述する。   Hereinafter, the characteristic configuration and function of the aberration control optical system 210A will be described in more detail.

図5(A)、(B)および図6(A),(B)は、本実施形態に係る収差制御光学系の球面収差発生量について説明するための図である。図5は撮像素子(センサ)を固定したときのセンサとPSFとの関係を示し、図6は収差制御光学系を固定したときのセンサとPSFとの関係を示している。   FIGS. 5A and 5B and FIGS. 6A and 6B are diagrams for explaining the spherical aberration generation amount of the aberration control optical system according to the present embodiment. FIG. 5 shows the relationship between the sensor and the PSF when the imaging element (sensor) is fixed, and FIG. 6 shows the relationship between the sensor and the PSF when the aberration control optical system is fixed.

たとえば、撮像素子220はある画素ピッチを有するセンサであるとする。その場合に、本実施形態では、球面収差を発生させてPSFを1画素PXLより大きくする必要がある。   For example, it is assumed that the image sensor 220 is a sensor having a certain pixel pitch. In this case, in the present embodiment, it is necessary to generate spherical aberration and make the PSF larger than one pixel PXL.

図5(A)および図6(A)に示すように、1画素PXLの中にPSFが納まってしまうサイズで球面収差を発生させてもそれは通常の光学系と同じである。通常光学系では一般的にピント位置の中心PSFのサイズが最小となる。   As shown in FIGS. 5 (A) and 6 (A), even if spherical aberration is generated with a size that allows the PSF to be accommodated in one pixel PXL, it is the same as a normal optical system. In the normal optical system, the size of the center PSF at the focus position is generally minimum.

これに対して、本実施形態に係る収差制御光学系210Aでは、図5(B)に示すように、PSFはアウトフォーカスに限らずピント位置までも1画素PXLに収まらないサイズに制御される。   On the other hand, in the aberration control optical system 210A according to the present embodiment, as shown in FIG. 5B, the PSF is controlled to a size that does not fit in one pixel PXL not only in the out-of-focus state but also in the focus position.

換言すれば、本実施形態に係る収差制御光学系210Aは、ディフォーカスに対するMTF特性において2つ以上のピークを持つことで被写界深度を拡張する。   In other words, the aberration control optical system 210A according to the present embodiment extends the depth of field by having two or more peaks in the MTF characteristics with respect to defocus.

次に、収差制御光学系に適した撮像素子(センサ)選定について説明する。   Next, selection of an image sensor (sensor) suitable for the aberration control optical system will be described.

たとえばあるPSFサイズを持った収差制御光学系があるとすると、図6(B)に示すように、センサの画素ピッチがPSFのサイズより小さいものを選ぶことが好ましい。   For example, if there is an aberration control optical system having a certain PSF size, it is preferable to select a sensor whose pixel pitch is smaller than the size of the PSF, as shown in FIG.

仮に画素ピッチがPSFより大きいものを選んだとすると通常光学系と同じとなってしまい、そこがピントとなってしまう。よって、その場合、収差制御光学系の球面収差の効果を有効に得ることができない。   If a pixel pitch larger than the PSF is selected, it becomes the same as the normal optical system, which is in focus. Therefore, in this case, the effect of spherical aberration of the aberration control optical system cannot be obtained effectively.

図7(A)〜(C)は、通常光学系および本実施形態に係る収差制御光学系のディフォーカスに対するMTFの状態を示す図である。   FIGS. 7A to 7C are diagrams illustrating the MTF state with respect to the defocus of the normal optical system and the aberration control optical system according to the present embodiment.

図7(A)は通常光学系のディフォーカスに対するMTFの状態を示し、図7(B)は本実施形態に係る収差制御光学系のディフォーカスに対するMTFの状態を示し、図7(
C)は1つのピークを拡大したディフォーカスに対するMTFの状態を示している。
FIG. 7A shows the MTF state with respect to the defocus of the normal optical system, and FIG. 7B shows the MTF state with respect to the defocus of the aberration control optical system according to the present embodiment.
C) shows the state of the MTF with respect to defocus in which one peak is enlarged.

通常の光学系では、図7(A)に示すように、ピント位置が一つで中心にある。両サイ
ドにある二つ目の山は落ちきって反転しているため、偽解像となる。
In a normal optical system, as shown in FIG. 7A, there is one focus position at the center. The second mountain on both sides falls and flips, resulting in false resolution.

そのため、解像する領域は網掛けで示す主像面シフト領域MSARとなる。通常光学系の1つのピークを深度拡張すると、図7(C)に示すように、MTFは大きく劣化してしまう。   Therefore, the area to be resolved is a main image plane shift area MSAR indicated by shading. When the depth of one peak of the normal optical system is extended, the MTF is greatly degraded as shown in FIG.

そこで、本実施形態に係る収差制御光学系のディフォーカスに対するMTFでは、図7(B)に示すように、通常光学系において一つのピークPK1であったのを2つのピークPK11、PK12に分割させている。   Therefore, in the MTF for the defocus of the aberration control optical system according to the present embodiment, as shown in FIG. 7B, the single peak PK1 in the normal optical system is divided into two peaks PK11 and PK12. ing.

MTFは若干劣化するが、深度は2つに分割したことによって2倍程度に伸びていて、さらにひとつのピークを深度拡張するより劣化を抑えていることがわかる。   It can be seen that although the MTF is slightly degraded, the depth is increased by about 2 times due to the division into two, and the degradation is suppressed more than the depth extension of one peak.

図8(A)〜(C)および図9(A)〜(C)は、本実施形態の収差制御光学系において、球面収差曲線(カーブ)によって任意の周波数でディフォーカスに対するMTFが2分できることを説明する。   FIGS. 8A to 8C and FIGS. 9A to 9C show that the MTF for defocus can be divided into two at an arbitrary frequency by the spherical aberration curve (curve) in the aberration control optical system of the present embodiment. Will be explained.

図8(A)〜(C)は、高周波のOTF変動を抑えた収差制御光学系における任意の周波数でディフォーカスに対するMTFが2分できることを示しており、図8(A)が球面収差カーブを示し、図8(B)が低周波での主像面シフト領域エリアMSARのMTFのピークの状態を示し、図8(C)が高周波での主像面シフト領域エリアMSARのMTFのピークの状態を示している。   8A to 8C show that the MTF for defocus can be divided into two at an arbitrary frequency in the aberration control optical system in which the high-frequency OTF fluctuation is suppressed, and FIG. 8A shows the spherical aberration curve. 8B shows the state of the MTF peak in the main image plane shift area area MSAR at a low frequency, and FIG. 8C shows the state of the MTF peak in the main image plane shift area area MSAR at a high frequency. Is shown.

図9(A)〜(C)は、低周波のOTF変動を抑えた収差制御光学系における任意の周波数でディフォーカスに対するMTFが2分できることを示しており、図9(A)が球面収差カーブを示し、図9(B)が低周波での主像面シフト領域エリアMSARのMTFのピークの状態を示し、図9(C)が高周波での主像面シフト領域エリアMSARのMTFのピークの状態を示している。   FIGS. 9A to 9C show that the MTF for defocus can be divided into two at an arbitrary frequency in the aberration control optical system in which the low-frequency OTF fluctuation is suppressed, and FIG. 9A shows the spherical aberration curve. 9B shows the state of the MTF peak in the main image plane shift area area MSAR at a low frequency, and FIG. 9C shows the MTF peak state in the main image plane shift area area MSAR at a high frequency. Indicates the state.

図9(A)〜(C)からわかるように、低周波の深度を伸ばすためには、球面収差の振幅を大きくすれば良い。   As can be seen from FIGS. 9A to 9C, in order to extend the depth of the low frequency, the amplitude of the spherical aberration may be increased.

振幅の大きさをコントロールすることによって任意の周波数のディフォーカスMTFを2分割することができる。つまり任意の周波数の深度を拡張することができる。   A defocus MTF having an arbitrary frequency can be divided into two by controlling the amplitude. That is, the depth of an arbitrary frequency can be expanded.

なお、本実施形態において、ディフォーカスに対する低周波および高周波とは次のように定義する。   In the present embodiment, the low frequency and high frequency for defocus are defined as follows.

使用する固体撮像素子(撮像素子220)の画素ピッチから決まるナイキスト周波数の半分以上の周波数を高周波、半分より低い周波数を低周波とする。   A frequency that is half or more of the Nyquist frequency determined from the pixel pitch of the solid-state imaging device to be used (imaging device 220) is a high frequency, and a frequency that is lower than half is a low frequency.

ただし、ナイキスト周波数は下記の通りに定義する。   However, the Nyquist frequency is defined as follows.

ナイキスト周波数=1/(固体撮像素子の画素ピッチ×2)
図10(A)〜(C)は、撮影モードに応じた絞り径の違いによる球面収差とディフォーカスMTF、および本光学系と通常光学系と深度を比較して示す図である。
Nyquist frequency = 1 / (pixel pitch of solid-state image sensor × 2)
FIGS. 10A to 10C are diagrams showing a comparison of spherical aberration and defocus MTF due to a difference in aperture diameter depending on the photographing mode, and the depths of the present optical system and the normal optical system.

図10(A)は絞りを開放した状態を示し、図10(B)は例えば遠景撮影モードに応じて絞りを中間に絞った状態を示し、図10(C)は例えば近接撮影を要する撮影モードに応じて絞りを最小に絞った状態を示している。   10A shows a state in which the aperture is opened, FIG. 10B shows a state in which the aperture is stopped in the middle according to, for example, a distant shooting mode, and FIG. 10C shows a shooting mode that requires close-up shooting, for example. The state in which the aperture is reduced to the minimum is shown.

遠景撮影モードや近接撮影を要する撮影モード(情報コード読み取り撮影モードやマクロ撮影モード)においては、更なる深度拡張効果をねらって、他の撮影モードの場合より絞り径を小さくする。   In a distant view shooting mode or a shooting mode that requires close-up shooting (information code reading shooting mode or macro shooting mode), the aperture diameter is made smaller than in other shooting modes in order to further increase the depth.

遠景撮影モードのように被写体の距離のばらつき範囲は広いもののある程度決まった焦点深度の範囲内に収まることが期待できる場合は、その範囲に合わせた被写界深度となるように絞り径の大きさの程度を設定することが可能である。   If the range of subject distance is wide but can be expected to be within a certain depth of focus range, as in the far-field shooting mode, the aperture diameter must be large so that the depth of field matches that range. It is possible to set the degree.

近接撮影を要する撮影モードのように被写体距離の違いによって像面でのピント位置が大きく異なるような場合は、絞り径を最小にして深度拡張効果を最大限に引き出すと言ったような設定を行うことも可能である。   If the focus position on the image plane varies greatly depending on the subject distance, such as in a shooting mode that requires close-up shooting, set the aperture diameter to the minimum to maximize the depth expansion effect. It is also possible.

絞りを最も開放した状態では、図10(A)に示すように、複数の変曲点を持つ絞り近傍の収差制御面において光線が通過するために、球面収差カーブにおいても複数の変曲点を持つ。   In the state where the diaphragm is opened most, as shown in FIG. 10A, since light rays pass through the aberration control surface near the diaphragm having a plurality of inflection points, a plurality of inflection points are also formed in the spherical aberration curve. Have.

そこから絞りを狭めても、図10(B)および(C)に示すように、変曲点が少なくともひとつ以上残る状態まで深度拡張作用を持続できる。   Even if the aperture is narrowed from there, as shown in FIGS. 10B and 10C, the depth expansion action can be continued until at least one inflection point remains.

以上では、主として球面収差曲線(カーブ)に2つの変曲点を持つ場合について説明したが、球面収差カーブに3つ以上の変曲点を持たせることも可能であり、3つ以上の変曲点を持たせる場合、以下に示すような利点がある。   In the above description, the case where the spherical aberration curve (curve) has two inflection points has been mainly described. However, the spherical aberration curve may have three or more inflection points, and three or more inflection points may be provided. In the case of having a point, there are the following advantages.

2つ以下の変曲点では、像高に対する変曲点領域の割り振りが偏るために、深度拡張する際に周波数毎にピーク位置がずれる現象が生じてしまう。   At two or less inflection points, the allocation of the inflection point area with respect to the image height is biased, so that when the depth is expanded, a phenomenon occurs in which the peak position is shifted for each frequency.

こうしたケースの場合、物体距離ごとにPSFに含まれる周波数成分の割合が異なるため、物体距離に対応するレンズの特性と合わせた画像処理が必要になる可能性がある。   In such a case, since the ratio of the frequency component included in the PSF is different for each object distance, there is a possibility that image processing combined with the characteristics of the lens corresponding to the object distance may be required.

そこで、球面収差カーブの変曲点を3つ以上とすることにより、ディフォーカスMTFにおけるピークを複数持たせ、また、球面収差カーブの振幅量を中心部から周辺部にかけて徐々に大きくすることで、周波数制御のバランスをとった深度拡張を実現できる。   Therefore, by setting the inflection point of the spherical aberration curve to three or more, a plurality of peaks in the defocus MTF are provided, and the amplitude of the spherical aberration curve is gradually increased from the central portion to the peripheral portion, Depth expansion that balances frequency control can be realized.

図11(A)および(B)は、球面収差カーブにおける変曲点の数の違いによる球面収差とディフォーカスMTFを比較して示す図である。   FIGS. 11A and 11B are diagrams showing a comparison of spherical aberration and defocus MTF due to a difference in the number of inflection points in the spherical aberration curve.

図11(A)は変曲点の数が2つの場合を、図11(B)は変曲点の数が4つの場合を示している。   FIG. 11A shows a case where the number of inflection points is two, and FIG. 11B shows a case where the number of inflection points is four.

図11(A)に示すように、変曲点2つでは、高周波と低周波でピーク位置が異なる。   As shown in FIG. 11A, at two inflection points, the peak positions are different between the high frequency and the low frequency.

これに対して、図11(B)に示すように、変曲点4つを適切な振幅量で配置した場合、ピークの位置が周波数によらず同じ位置になる。   On the other hand, as shown in FIG. 11B, when the four inflection points are arranged with an appropriate amplitude amount, the peak position is the same regardless of the frequency.

すなわち、変曲点が4つの場合、周波数制御のバランスをとった深度拡張を実現できる。   That is, when there are four inflection points, it is possible to realize depth extension that balances frequency control.

以上、本実施形態に係る光学系の特徴的な構成、機能、効果について説明した。   The characteristic configuration, function, and effect of the optical system according to the present embodiment have been described above.

以下に、撮像素子、画像処理部等の他の構成部分の構成、機能について説明する。   Hereinafter, the configuration and functions of other components such as the image sensor and the image processing unit will be described.

撮像素子220は、たとえば図4に示すように、第5レンズ216側から、ガラス製の平行平面板(カバーガラス)221と、CCDあるいはCMOSセンサ等からなる撮像素子の撮像面222が順に配置されている。   For example, as shown in FIG. 4, the imaging element 220 includes a glass parallel plane plate (cover glass) 221 and an imaging surface 222 of an imaging element made up of a CCD or a CMOS sensor, in order from the fifth lens 216 side. ing.

収差制御光学系210Aを介した被写体OBJからの光が、撮像素子220の撮像面222上に結像される。   Light from the subject OBJ via the aberration control optical system 210A is imaged on the imaging surface 222 of the imaging element 220.

なお、撮像素子220で撮像される被写体分散像は、収差制御面213aにより撮像素子220上ではピントが合わず、深度の深い光束とボケ部分が形成された像である。   Note that the subject dispersion image captured by the image sensor 220 is an image in which a deep light beam and a blurred portion are formed without being focused on the image sensor 220 by the aberration control surface 213a.

そして、図3に示すように撮像素子220は、収差制御光学系210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230を介して画像処理装置240に出力するCCDやCMOSセンサからなる。   As shown in FIG. 3, the image sensor 220 forms an image captured by the aberration control optical system 210, and uses the analog front-end unit 230 as the primary image signal FIM of the electrical primary image information. Via a CCD or a CMOS sensor that is output to the image processing device 240.

図3においては、撮像素子220を一例としてCCDとして記載している。   In FIG. 3, the imaging element 220 is described as a CCD as an example.

アナログフロントエンド部230は、タイミングジェネレータ231、アナログ/デジタル(A/D)コンバータ232と、を有する。   The analog front end unit 230 includes a timing generator 231 and an analog / digital (A / D) converter 232.

タイミングジェネレータ231では、撮像素子220のCCDの駆動タイミングを生成しており、A/Dコンバータ232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240に出力する。   The timing generator 231 generates the drive timing of the CCD of the image sensor 220, and the A / D converter 232 converts an analog signal input from the CCD into a digital signal and outputs it to the image processing device 240.

信号処理部の一部を構成する画像処理装置240は、前段のAFE230からくる撮像画像のデジタル信号を入力し、エッジ強調等の画像処理を施し、収差制御光学系201Aの収差により低下したコントラストを向上させ、後段のカメラ信号処理部(DSP)250に渡す。   The image processing device 240 constituting a part of the signal processing unit inputs a digital signal of a captured image coming from the AFE 230 in the previous stage, performs image processing such as edge enhancement, and reduces the contrast reduced by the aberration of the aberration control optical system 201A. The signal is improved and passed to the camera signal processing unit (DSP) 250 in the subsequent stage.

カメラ信号処理部(DSP)250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260への格納や画像モニタリング装置270への画像表示等を行う。   The camera signal processing unit (DSP) 250 performs processing such as color interpolation, white balance, YCbCr conversion processing, compression, and filing, and stores the data in the memory 260 and displays the image on the image monitoring device 270.

制御装置290は、露出制御を行うとともに、操作部280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、AFE230、画像処理装置240、DSP250、可変絞り214等を制御し、システム全体の調停制御を司るものである。   The control device 290 performs exposure control and has operation inputs such as the operation unit 280. The control device 290 determines the operation of the entire system according to those inputs, and includes the AFE 230, the image processing device 240, the DSP 250, the variable aperture 214, and the like. It controls the mediation control of the entire system.

操作部280にはモード選択手段が含まれ、モード選択手段を操作された場合には可変絞り214の開口径を設定する。特にモード選択手段によって近接撮影を要する撮影モードが選択された場合には可変絞り214の開口径を開放より絞り込む設定をする制御を行う。近接撮影を要する撮影モードとはマクロ撮影モードや情報コードの読み取り撮影モードといったような撮影モードを指す。これらの近接撮影を要する撮影モードでは被写体距離の違いによって像面でのピント位置が大きく異なる。そのために収差制御素子による深度拡張に加えて絞りの口径を小さくすることで、より一層の深度拡張効果が期待できる。   The operation unit 280 includes mode selection means. When the mode selection means is operated, the opening diameter of the variable diaphragm 214 is set. In particular, when a shooting mode that requires close-up shooting is selected by the mode selection unit, control is performed so that the aperture diameter of the variable diaphragm 214 is narrowed from the open position. The shooting mode that requires close-up shooting refers to a shooting mode such as a macro shooting mode or an information code reading shooting mode. In these shooting modes that require close-up shooting, the focus position on the image plane varies greatly depending on the subject distance. Therefore, a further depth expansion effect can be expected by reducing the aperture diameter in addition to the depth expansion by the aberration control element.

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説明する。   Hereinafter, the configuration and functions of the optical system and the image processing apparatus according to the present embodiment will be described in detail.

本実施形態においては、収差制御光学系を採用し、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。   In the present embodiment, an aberration control optical system is employed to obtain high-definition image quality, and the optical system can be simplified and the cost can be reduced.

画像処理装置240は、上述したように、撮像素子220による1次画像FIMを受けて、エッジ強調等の画像処理を施し、収差制御光学系201Aの収差により低下したコントラストを向上させる処理等を施して高精細な最終画像FNLIMを形成する。   As described above, the image processing apparatus 240 receives the primary image FIM from the image sensor 220, performs image processing such as edge enhancement, and performs processing to improve the contrast reduced by the aberration of the aberration control optical system 201A. To form a high-definition final image FNLIM.

画像処理装置240のMTF補正処理は、たとえば図12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12中曲線Bで示す特性に近づく(達する)ような補正を行う。   The MTF correction processing of the image processing device 240 is performed after edge enhancement, chroma enhancement, etc., using the MTF of the primary image, which is essentially a low value, as shown by a curve A in FIG. In the process, correction is performed so as to approach (reach) the characteristics indicated by the curve B in FIG.

図12中曲線Bで示す特性は、たとえば本実施形態のように、収差制御面または収差制御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。   A characteristic indicated by a curve B in FIG. 12 is a characteristic obtained when the wavefront is not deformed without using the aberration control surface or the aberration control optical element as in the present embodiment.

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。   It should be noted that all corrections in the present embodiment are based on spatial frequency parameters.

本実施形態においては、図12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、図13に示すように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。   In this embodiment, as shown in FIG. 12, in order to achieve the MTF characteristic curve B to be finally realized with respect to the MTF characteristic curve A with respect to the optically obtained spatial frequency, each spatial frequency is On the other hand, as shown in FIG. 13, strength such as edge enhancement is added, and the original image (primary image) is corrected.

たとえば、図12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13に示すようになる。   For example, in the case of the MTF characteristic of FIG. 12, the curve of edge enhancement with respect to the spatial frequency is as shown in FIG.

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。   That is, a desired MTF characteristic curve B is virtually realized by performing correction by weakening edge enhancement on the low frequency side and high frequency side within a predetermined spatial frequency band and strengthening edge enhancement in the intermediate frequency region. To do.

このように、実施形態に係る撮像装置200は、基本的に、1次画像を形成する収差制御光学系210および撮像素子220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140からなり、光学系システムの中に、収差制御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収差制御用に成形したものを設けることにより、球面収差を意図的に発生させて結像の波面を変形(変調)し、そのような波面をCCDやCMOSセンサからなる撮像素子220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240を通して高精細画像を得る画像形成システムである。   As described above, the imaging apparatus 200 according to the embodiment basically includes the aberration control optical system 210 and the imaging element 220 that form the primary image, and the image processing apparatus 140 that forms the primary image into a high-definition final image. In this optical system, spherical aberration is intentionally achieved by providing a new aberration control element or by shaping the surface of the optical element such as glass or plastic for aberration control. The generated wavefront is deformed (modulated), and such a wavefront is imaged on the imaging surface (light receiving surface) of the imaging element 220 including a CCD or a CMOS sensor, and the primary image is subjected to image processing. The image forming system obtains a high-definition image through the device 240.

本実施形態では、撮像素子220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240で行う。   In the present embodiment, the primary image from the image sensor 220 has a light flux condition with a very deep depth. For this reason, the MTF of the primary image is essentially a low value, and the MTF is corrected by the image processing device 240.

次に、本実施形態および通常光学系のMTFのレスポンスについて考察する。   Next, the response of the MTF of this embodiment and the normal optical system will be considered.

図14は、通常の光学系の場合において物体が焦点位置にあるときと焦点位置から外れたときのMTFのレスポンス(応答)を示す図である。   FIG. 14 is a diagram showing MTF responses when the object is at the focal position and when the object is out of the focal position in the case of a normal optical system.

図15は、収差制御素子を有する本実施形態の光学系の場合において物体が焦点位置にあるときと焦点位置から外れたときのMTFのレスポンスを示す図である。   FIG. 15 is a diagram showing the MTF response when the object is at the focal position and when the object is out of the focal position in the optical system of the present embodiment having the aberration control element.

また、図16は、本実施形態に係る撮像装置の画像処理後のMTFのレスポンスを示す図である。   FIG. 16 is a diagram illustrating a response of the MTF after image processing of the imaging apparatus according to the present embodiment.

図からもわかるように、収差制御面または収差制御素子を有する光学系の場合、物体が焦点位置から外れた場合でもMTFのレスポンスの変化が収差制御面または収差制御素子を挿入してない光学系よりも少なくなる。   As can be seen from the figure, in the case of an optical system having an aberration control surface or an aberration control element, even if the object deviates from the focal position, the change in the response of the MTF does not insert the aberration control surface or the aberration control element. Less than.

この光学系によって結像された画像を、後段の画像処理装置240によって画像処理することにより、MTFのレスポンスを向上させることができる。   The image formed by the optical system is subjected to image processing by the subsequent image processing device 240, whereby the MTF response can be improved.

ただし、画像処理を行うとノイズが増加してしまう場合には、好適にはMTFのレスポンスを向上させるような画像処理は行わないようにすることも可能である。   However, if noise increases when image processing is performed, it is preferable not to perform image processing that preferably improves the response of the MTF.

上述したように、目的に応じて意図的に収差を発生させる光学系を収差制御光学系という。   As described above, an optical system that intentionally generates aberration according to the purpose is referred to as an aberration control optical system.

図15に示した、収差制御光学系のOTFの絶対値(MTF)はナイキスト周波数において0.1以上であることが好ましい。   The absolute value (MTF) of the OTF of the aberration control optical system shown in FIG. 15 is preferably 0.1 or more at the Nyquist frequency.

なぜなら、図16に示した復元後のOTFを達成するためには画像処理でゲインを上げることになるが、センサのノイズも同時に上げることになる。そのため、ナイキスト周波数付近の高周波ではできるたけゲインを上げずに画像処理を行うことが好ましい。   This is because, in order to achieve the OTF after restoration shown in FIG. 16, the gain is increased by image processing, but the noise of the sensor is also increased at the same time. Therefore, it is preferable to perform image processing without increasing the gain as much as possible at high frequencies near the Nyquist frequency.

通常の光学系の場合、ナイキスト周波数でのMTFが0.1以上あれば解像する。   In the case of a normal optical system, resolution is achieved if the MTF at the Nyquist frequency is 0.1 or more.

したがって、画像処理前のMTFが0.1以上あれば、画像処理でナイキスト周波数でのゲインを上げずに済む。画像処理前のMTFが0.1未満であると、画像処理後の画像がノイズの影響を大きく受けた画像になるため好ましくない。   Therefore, if the MTF before image processing is 0.1 or more, it is not necessary to increase the gain at the Nyquist frequency in image processing. If the MTF before image processing is less than 0.1, the image after image processing becomes an image greatly affected by noise, which is not preferable.

以上説明したように、本実施形態によれば、可変絞り214、収差を意図的に発生させる収差制御機能を有する収差制御光学系210、撮像素子220、および1次画像を高精細な最終画像に形成する画像処理装置240を含み、収差制御光学系210Aの収差特性は、可変絞り214の口径が変化しても深度拡張効果(機能)を有する。   As described above, according to the present embodiment, the variable aperture 214, the aberration control optical system 210 having an aberration control function for intentionally generating aberration, the image sensor 220, and the primary image are converted into a high-definition final image. The aberration characteristics of the aberration control optical system 210A including the image processing device 240 to be formed have a depth expansion effect (function) even if the aperture of the variable stop 214 changes.

収差制御光学系210Aは、可変絞り214の口径を変化させることで複数のF値が選択可能である。   The aberration control optical system 210A can select a plurality of F values by changing the aperture of the variable stop 214.

また、本実施形態の収差制御光学系210Aの収差特性は、可変絞り214の有効径内に複数(2つ以上)の変曲点を有する。   Further, the aberration characteristic of the aberration control optical system 210A of the present embodiment has a plurality (two or more) inflection points within the effective diameter of the variable stop 214.

本実施形態の収差制御光学系210Aの収差特性は、可変絞り214が開放の口径の場合に光線が通過する領域から収差制御機能による深度拡張効果を有する最小の絞り径の場合に光線が通過する領域を除く領域で一つ以上の変曲点を有する。   The aberration characteristics of the aberration control optical system 210A of the present embodiment are such that the light beam passes from the region where the light beam passes when the variable stop 214 has an open aperture to the minimum aperture diameter having a depth expansion effect by the aberration control function. It has one or more inflection points in the area excluding the area.

すなわち、本実施形態の収差制御光学系210Aの収差特性は、深度拡張作用を期待されるF値の中で、最も明るいF値の時に光線が通過する収差制御面の領域と最も暗いF値の時に光線が通過する収差制御面の領域の間で、ひとつ以上の変曲点を有する。   That is, the aberration characteristic of the aberration control optical system 210A of the present embodiment is that the aberration control surface region through which the light beam passes and the darkest F value among the F values expected to have a depth expansion effect. Sometimes there is one or more inflection points between the areas of the aberration control surface through which the light passes.

したがって、本実施形態によれば、可変絞り214の口径を変化させることで複数のF値が選択可能であり、選択可能なF値のいずれにおいても、収差制御素子または収差制御面の効果により深度拡張を行うことが可能である。   Therefore, according to the present embodiment, a plurality of F values can be selected by changing the aperture of the variable diaphragm 214, and any of the selectable F values has a depth due to the effect of the aberration control element or the aberration control surface. Extensions can be made.

また、球面収差に2つ以上の変曲点を適切に持たせることで複数の絞り口径の選択に対し、深度拡張を実現することができる。   Further, by appropriately providing two or more inflection points in the spherical aberration, it is possible to realize depth extension for selection of a plurality of aperture diameters.

また、F値を変化させた場合でも効率よく深度拡張作用を得ることが可能となる。   In addition, even when the F value is changed, it is possible to obtain a depth extending action efficiently.

すなわち、本実施形態によれば、画像復元処理を施さなくても深度拡張することができ、絞り径を変化させても深度拡張機能の低下を防止することができる。   That is, according to the present embodiment, depth expansion can be performed without performing image restoration processing, and deterioration of the depth expansion function can be prevented even if the aperture diameter is changed.

また、本実施形態によれば、収差制御光学系210Aは、収差を意図的に発生させる収差制御機能を持つ収差制御素子を含む、もしくは収差制御機能を有する収差制御面を内包する収差制御光学系を用いてPSFを2画素以上にまたがるようにし、所定の周波数において偽解像しない主像面シフト領域でディフォーカスに対するMTF特性が2つ以上のピークを持つ深度拡張光学系として形成されていることから、以下の効果を得ることができる。   Further, according to the present embodiment, the aberration control optical system 210A includes an aberration control element having an aberration control function for intentionally generating an aberration, or includes an aberration control surface having an aberration control function. Is used to extend the PSF over two or more pixels, and is formed as a depth expansion optical system having two or more peaks with MTF characteristics for defocus in a main image plane shift region that is not falsely resolved at a predetermined frequency. Therefore, the following effects can be obtained.

本実施形態においては、収差制御機能を用いてディフォーカスに対するMTF特性において2つ以上のピークを複数持つようにすることで、ピーク値の低下を抑えつつ、収差制御素子を持たない一般的な光学系よりも深度を拡張できる。   In this embodiment, by using the aberration control function to have a plurality of two or more peaks in the MTF characteristic for defocus, a general optical without an aberration control element while suppressing a decrease in peak value. Can extend the depth more than the system.

すなわち、本実施形態によれば、球面収差を適切に制御することで、画像復元処理を施さなくても深度を拡張することができ、適切な画質の、ノイズの影響が小さい良好な画像を得ることが可能となる。   That is, according to the present embodiment, by appropriately controlling the spherical aberration, the depth can be expanded without performing the image restoration process, and a good image with appropriate image quality and less influence of noise is obtained. It becomes possible.

また、本実施形態によれば、球面収差カーブの変曲点を3つ以上とすることにより、ディフォーカスMTFにおけるピークを複数持たせ、また、球面収差カーブの振幅量を中心部から周辺部にかけて徐々に大きくすることで、周波数制御のバランスをとった深度拡張を実現できる。   In addition, according to the present embodiment, by providing three or more inflection points of the spherical aberration curve, a plurality of peaks in the defocus MTF are provided, and the amplitude of the spherical aberration curve is increased from the central portion to the peripheral portion. By gradually increasing the depth, it is possible to achieve depth expansion that balances frequency control.

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、自然な画像を得ることができる利点がある。   Further, there is an advantage that a natural image can be obtained without requiring an optical lens that is difficult, expensive, and large in size, and without driving the lens.

そして、本実施形態に係る撮像装置200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、コストに考慮が必要な光学システムに使用することが可能である。   The imaging apparatus 200 according to the present embodiment can be used in an optical system that requires consideration for the small size, light weight, and cost of consumer devices such as digital cameras and camcorders.

また、収差制御光学系210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。   In addition, the configuration of the aberration control optical system 210 can be simplified, manufacturing becomes easy, and cost reduction can be achieved.

なお、本実施形態に係る撮像装置100が適用可能な電子機器としては、情報読み取り装置の他に、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、PDA、画像検査装置、自動制御用産業カメラ等に適用可能である。   As an electronic apparatus to which the imaging apparatus 100 according to the present embodiment can be applied, in addition to an information reading apparatus, in addition to a digital still camera, a video camera, a digital video unit, a personal computer, a mobile phone, a PDA, and an image inspection apparatus It can be applied to industrial cameras for automatic control.

200・・・撮像装置
210・・・収差制御光学系
211・・・第1レンズ
212・・・第2レンズ
213・・・第3レンズ
213a・・・収差制御面
214・・・可変絞り
215・・・第4レンズ
220・・・撮像素子
230・・・アナログフロントエンド部(AFE)
240・・・画像処理装置
250・・・カメラ信号処理部
280・・・操作部
290・・・制御装置
MSAR・・・主像面シフト領域。
200 ... Imaging device 210 ... Aberration control optical system 211 ... First lens 212 ... Second lens 213 ... Third lens 213a ... Aberration control surface 214 ... Variable aperture 215- .... Fourth lens 220 ... Image sensor 230 ... Analog front end (AFE)
240 ... Image processing device 250 ... Camera signal processing unit 280 ... Operation unit 290 ... Control device MSAR ... Main image plane shift area.

Claims (11)

収差を発生させる収差制御機能を有する収差制御部を含む収差制御光学系と、
前記収差制御光学系を通過する光束を制限し、開口径の大きさを変更可能な絞りと、
前記収差制御光学系を通過した被写体像を撮像する撮像素子と、
複数の撮影モードを選択可能な撮影モード選択部と、を有し、
前記絞りは前記撮影モードの選択に応じて開口径を設定し、かつ
前記収差制御光学系の収差特性は、
前記絞りの有効径内に複数の変曲点を有して、前記絞りを開放より絞り込んだ状態においても深度拡張効果を発現する
撮像装置。
An aberration control optical system including an aberration control unit having an aberration control function for generating aberration;
A diaphragm that limits the luminous flux passing through the aberration control optical system and can change the size of the aperture diameter;
An image sensor that captures a subject image that has passed through the aberration control optical system;
A shooting mode selection unit capable of selecting a plurality of shooting modes;
The aperture sets an aperture diameter according to the selection of the shooting mode, and the aberration characteristic of the aberration control optical system is:
An imaging apparatus that has a plurality of inflection points within an effective diameter of the diaphragm and exhibits a depth expansion effect even in a state where the diaphragm is further narrowed from an open position.
前記撮影モードには近接撮影を要する撮影モードが含まれ、
前記撮影モードの選択部によって前記近接撮影を要する撮影モードが選択された場合に、前記絞りは開放より絞り込んだ状態にする
請求項1に記載の撮像装置。
The shooting mode includes a shooting mode that requires close-up shooting,
The imaging apparatus according to claim 1, wherein when the shooting mode that requires the close-up shooting is selected by the shooting mode selection unit, the aperture is in a state of being narrowed down from the open position.
前記収差制御光学系のディフォーカスに対するMTF特性において、任意の周波数の主像面シフト領域で複数のピークを持つ
請求項1または2に記載の撮像装置。
3. The imaging apparatus according to claim 1, wherein the aberration control optical system has a plurality of peaks in a main image plane shift region of an arbitrary frequency in MTF characteristics with respect to defocusing.
前記収差制御部は、
球面収差を発生させることによって深度を拡張させる機能を含む
請求項1から3のいずれか一に記載の撮像装置。
The aberration control unit is
The imaging apparatus according to claim 1, further comprising a function of expanding a depth by generating a spherical aberration.
前記収差制御光学系は、
前記収差制御機能を有する収差制御部が前記絞りに隣接して配置されている
請求項1から4のいずれか一に記載の撮像装置。
The aberration control optical system is
The imaging apparatus according to claim 1, wherein an aberration control unit having the aberration control function is disposed adjacent to the diaphragm.
前記収差制御光学系は、
前記絞りの
開口径が何れの大きさであっても深度拡張効果を有する
請求項1から5のいずれか一に記載の撮像装置。
The aberration control optical system is
The imaging apparatus according to any one of claims 1 to 5, which has a depth expansion effect regardless of the aperture diameter of the diaphragm.
前記収差制御光学系の収差特性は、
前記可変絞りが開放の口径の場合に光線が通過する領域から前記収差制御機能による深度拡張効果を有する最小の絞り径の場合に光線が通過する領域を除く領域で一つ以上の変曲点を有する
請求項1から6のいずれか一に記載の撮像装置。
The aberration characteristics of the aberration control optical system are:
One or more inflection points in the region excluding the region where the light beam passes from the region where the light beam passes when the variable aperture is an open aperture to the minimum aperture diameter having the depth extension effect by the aberration control function. The imaging apparatus according to any one of claims 1 to 6.
前記収差制御光学系の収差特性は、
前記絞りの開口径内で生じる球面収差カーブに3つ以上の変曲点を有する
請求項1から7のいずれか一に記載の撮像装置。
The aberration characteristics of the aberration control optical system are:
The imaging apparatus according to claim 1, wherein the spherical aberration curve generated within the aperture diameter of the diaphragm has three or more inflection points.
前記球面収差カーブの振幅量は、中心部から周辺部にかけて、徐々に大きくなる特性を有する
請求項8に記載の撮像装置。
The imaging apparatus according to claim 8, wherein the spherical aberration curve has an amplitude amount that gradually increases from a central portion to a peripheral portion.
前記撮像素子で得られた画像信号に対して画像処理を施し、前記収差制御光学系の収差により低下した画像特性を向上させる画像処理部を有する
請求項1から9のいずれか一に記載の撮像装置。
10. The imaging according to claim 1, further comprising: an image processing unit that performs image processing on an image signal obtained by the imaging element and improves image characteristics that are deteriorated due to an aberration of the aberration control optical system. apparatus.
撮像装置を有し、
前記撮像装置は、
収差を発生させる収差制御機能を有する収差制御部を含む収差制御光学系と、
前記収差制御光学系を通過する光束を制限し、開口径の大きさを変更可能な絞りと、
前記収差制御光学系を通過した被写体像を撮像する撮像素子と、
複数の撮影モードを選択可能な撮影モード選択部と、を有し、
前記絞りは前記撮影モードの選択に応じて開口径を設定し、かつ
前記収差制御光学系の収差特性は、
前記絞りの有効径内に複数の変曲点を有して、前記絞りを開放より絞り込んだ状態においても深度拡張効果を発現する
電子機器。
Having an imaging device;
The imaging device
An aberration control optical system including an aberration control unit having an aberration control function for generating aberration;
A diaphragm that limits the luminous flux passing through the aberration control optical system and can change the size of the aperture diameter;
An image sensor that captures a subject image that has passed through the aberration control optical system;
A shooting mode selection unit capable of selecting a plurality of shooting modes;
The aperture sets an aperture diameter according to the selection of the shooting mode, and the aberration characteristic of the aberration control optical system is:
An electronic apparatus that has a plurality of inflection points within the effective diameter of the diaphragm and exhibits a depth expansion effect even when the diaphragm is further narrowed from the open position.
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