JP2012217090A - 撮像装置、撮影レンズユニット、および撮像ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】被写界深度を広げながら、画像のノイズを低減化させる。
【解決手段】 撮像装置は、撮影光学系１０１、撮像素子２０１、および画像処理部２０３を有する。撮影光学系１０１は所定の収差を発生させる収差制御素子１０３を有する。撮影光学系１０１は光学像を結像させる。撮像素子２０１は光学像に対応する画像信号を生成する。画像処理部２０３は所定の収差に基づいて低下した画像特性を向上させるように画像信号に対して画像処理を施す。収差制御素子１０３は撮像素子２０１のナイキスト周波数未満の第１の空間周波数において撮影光学系１０１の光伝達関数のレスポンスを低減化可能な最低値にさせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、被写界深度の深化を可能にする撮像装置、撮影レンズユニット、および撮像ユニットに関する。

カメラやビデオカメラなどの撮像装置において、撮影光学系からの距離が広範囲に分布する様々な被写体をボケの少ない画像として撮影することが望まれている。すなわち、撮影光学系の被写界深度を広げることが望まれている。被写界深度は、Ｆ値が大きくなるように絞りの開口を調整することにより広げることは可能である。しかし、Ｆ値を大きくすることにより、受光面に受光させる被写体の光学像の光量が不足する。そのため、シャッタ速度を遅くしたり、フィルムやエリアセンサのＩＳＯ感度を高くする必要がある。しかし、シャッタ速度を遅くすると、動く被写体の撮影が困難である。また、ＩＳＯ感度を上げると、撮影された画像のノイズが増加するなどの問題があった。

そこで、位相マスクを用いて、撮影光学系の光伝達関数のレスポンスが広範囲の物体距離に対して実質的に不感となるように光束を規則的に分散させ、撮像した分散画像をデコンボリューション処理することによってボケを除去することが提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。特許文献１に記載された発明では、当該範囲内の物体距離の被写体の画像にボケが発生する。しかし、光束の分散が規則的であるため復元処理を行うことにより様々な物体距離にある被写体のボケを低減させることが可能であり、被写界深度を拡大させることが可能である。

しかし、特許文献１および特許文献２に記載された発明では、位相マスクによる撮影光学系の光伝達関数のレスポンスは全体的に低かった。それゆえ、ボケを十分に低減化させるように復元処理を行うと、ノイズが増加することが問題であった。

米国特許第５７４８３７１号明細書 特開２００３−２３５７９４号公報

従って、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明では、被写体の光学像の光束を規則的に分散させて撮像した分散画像に画像処理を施すことによりボケの除去された画像に発生するノイズを低減化させる撮像装置、撮影レンズユニット、および撮像ユニットの提供を目的とする。

上述した諸課題を解決すべく、第１の発明による撮像装置は、
所定の収差を発生させる収差制御素子を有し、光学像を結像させる撮影光学系と、
光学像に対応する画像信号を生成する撮像素子と、
所定の収差に基づいて、所定の収差により低下した画像特性を向上させるように画像信号に対して画像処理を施す画像処理部とを備え、
収差制御素子は、撮像素子のナイキスト周波数未満の第１の空間周波数において撮影光学系の少なくとも所定の被写体距離に対する光伝達関数のレスポンスをゼロにさせる
ことを特徴とするものである。

本発明の第１の発明による撮影レンズユニットは、
受光面に形成される光学像に対応する画像信号を生成する撮像素子と、画像信号に対して画像処理を施す画像処理部を有する撮像本体に着脱自在である撮影レンズユニットであって、
所定の収差を発生させる収差制御素子を有し、光学像を結像させる撮影光学系と、
所定の収差に関する情報および所定の収差に対応付けられた情報の少なくとも一方である対応情報を格納するメモリと、
対応情報を出力する出力器とを備え、
収差制御素子は、撮像素子のナイキスト周波数未満の第１の空間周波数において撮影光学系の少なくとも所定の被写体距離に対する光伝達関数のレスポンスをゼロにさせ、
画像処理部は、所定の収差により低下した画像特性を向上させるように対応情報により定められる所定の収差に基づいて画像信号に対して画像処理を施す
ことを特徴とするものである。

本発明の第１の発明による撮像ユニットは、
画像処理装置に着脱可能な撮像ユニットであって、
受光面に形成される光学像に対応する画像信号を生成する撮像素子と、
所定の収差を発生させる収差制御素子を有し、光学像を結像させる撮影光学系と、
所定の収差に関する情報および所定の収差に対応付けられた情報の少なくとも一方である対応情報を格納するメモリと、
対応情報を出力する出力器とを備え、
収差制御素子は、撮像素子のナイキスト周波数未満の第１の空間周波数において撮影光学系の少なくとも所定の被写体距離に対する光伝達関数のレスポンスをゼロにさせ、
画像処理装置は、所定の収差により低下した画像特性を向上させるように対応情報により定められる所定の収差に基づいて画像信号に対して画像処理を施す
ことを特徴とするものである。

上記のように構成された本発明に係る撮像装置によれば、規則的に光束を分散させた被写体像の撮影画像に対してボケを低減化させた画像に生じるノイズを低減化させることが可能である。

本発明の一実施形態に係る撮像装置であるデジタルカメラの光学的構成および電気的な概略構成を示す構成図である。 撮影光学系 の結像位置における空間周波数に対する光伝達関数のレスポンスを示すグラフである。 第２の帯域における任意の空間周波数における撮影光学系の被写体距離ＯＴＦのレスポンスを示すグラフである。 近距離側においてピーク値を有する空間周波数における撮影光学系の被写体距離ＯＴＦのレスポンスを示すグラフである。 図４に示した被写体距離ＯＴＦの空間周波数より高い空間周波数における撮影光学系の被写体距離ＯＴＦのレスポンスを示すグラフである。 撮影光学系の球面収差を示す球面収差図である。 収差制御面を形成する代わりに、収差制御素子を設けた撮影光学系の変形例である。

以下、本発明を適用した撮影レンズユニットおよび撮像装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る撮像装置であるデジタルカメラの光学的な構成および電気的な概略構成を示す構成図である。

デジタルカメラ１０は、撮影光学系１１０、撮像素子１０１、ＣＰＵ１０２、ＤＳＰ１０３、操作部１０４、モニタ１０５などによって構成される。

撮影光学系１１０は、複数のレンズ１１１によって構成される。単一のレンズ１１１の内面に収差制御面１１２が形成されることにより、撮影光学系１１０に球面収差を発生させる。なお、後述する光学特性を満たすように、光軸について回転対称な収差制御面１１２が形成される。撮影光学系１１０により、撮影されるための被写体像が結像され、撮像素子１０１の受光面上に形成される。

撮像素子１０１は例えばＣＣＤやＣＭＯＳエリアセンサであり、受光面に形成される被写体像に応じた画像信号が生成される。生成された画像信号は、ＡＦＥ（図示せず）においてＣＤＳ処理、Ａ／Ｄコンバージョン処理等が施されデジタル信号に変換されて、ＤＳＰ１０３に送信される。ＤＳＰ１０３はＤＲＡＭ１０６をワークメモリとして用い、受信した画像信号に対して、所定の信号処理を施す。所定の信号処理が施された画像信号は、モニタ１０５に送信され、画像信号に対応する光学像がモニタ１０５に表示される。また、所定の信号処理の施された画像信号はＣＰＵ１０２を介して、ＣＰＵ１０２に着脱可能な記憶メディア（図示せず）に格納させることも可能である。

なお、所定の信号処理には、復元処理が含まれる。撮影光学系１１０により形成される被写体像である分散画像は収差制御面１０３の機能により焦点深度の深い光学像であって、ボケの発生した像である。復元処理を実行するために、ＣＰＵ１０２を介してＥＥＰＲＯＭ１０7から球面収差を補正するフィルタが、ＤＳＰ１０３に伝達される。なお、フィルタは予め測定された撮影光学系１１０固有のＰＳＦ（Ｐｏｉｎｔ Ｓｐｒｅａｄ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）すなわち、ボケの度合いに応じて予め定められるウィナーフィルタなどのボケ復元用のフィルタである。ＤＳＰ１０３ではフィルタを用いて、画像信号にデコンボリューション処理を施す。デコンボリューション処理により分散画像のボケを低減化させた画像が作成される。

撮像素子１０１およびＤＳＰ１０３における様々な動作の時期はタイミングジェネレータ（ＴＧ）１０８によって制御される。また、ＴＧ１０８はＣＰＵ１０２の制御に基づいて、撮像素子１０１およびＤＳＰ１０３の動作時期を制御する。また、ＣＰＵ１０２はＴＧ１０８だけでなく、デジタルカメラ１０の各部位の動作を制御する。ＣＰＵ１０２はボタン（図示せず）やダイヤル（図示せず）などの入力機器によって構成される操作部１０４に接続される。使用者による操作部１０４への操作入力に基づいて、ＣＰＵ１０２は各部位の動作の制御を実行する。ＣＰＵ１０２はＥＥＰＲＯＭ１０７に接続される。前述のフィルタだけでなくデジタルカメラ１０に設けられる様々な機能を実行するために必要な情報はＥＥＰＲＯＭ１０７に格納されており、必要に応じてＣＰＵ１０２により読出される。

次に、収差制御面１１２により持たされる撮影光学系１１０の光学特性について詳細に説明する。すなわち、撮影光学系１１０が以下の光学特性を備えるように、収差制御面１１２は設計され、形成される。

図２に示すように、空間周波数が第１の周波数ｓｆ１において、所望の被写体距離に対する光伝達関数、すなわちＯＴＦのレスポンスはゼロである。なお、第１の周波数は撮像素子１０１のナイキスト周波数（＝１／（２×ｐ）、ｐは撮像素子１０１の画素のピッチ）より低く、撮影された画像に求められる分解能に対応する空間周波数である要求周波数より高い値に定められる。

ＯＴＦのレスポンスがゼロになると、後に元の画像を復元することが出来ない。それゆえ、従来、空間周波数がゼロからナイキスト周波数までの全範囲に亘って撮影光学系のＯＴＦのレスポンスがゼロを超えるように、撮影光学系は設計されていた。ただし、全範囲に亘ってＯＴＦのレスポンスを高くすることは出来ないので、全体的にレスポンスの低いＯＴＦとなることが一般的であった。

一方、本実施形態では、第１の周波数ｓｆ１においてＯＴＦのレスポンスを意図的にゼロにすることにより、第１の周波数ｓｆ１未満の第２の周波数（図２における“ｓｆ２”参照）を上限とする第１の帯域においてＯＴＦのレスポンスを基準ＯＴＦ（図２における“ｓｔ”参照）のレスポンスより大きくなるように、収差制御面１１２は形成される。なお、基準ＯＴＦとは、空間周波数の全範囲に亘ってレスポンスがゼロを超える以外の要求条件が本実施形態と同じ撮影光学系１１０のＯＴＦである。ＯＴＦのレスポンスが高くなるほど、分散画像におけるボケの度合いは低く、デコンボリューション処理の負荷が低減化される。デコンボリューション処理の負荷を減らすことにより、復元される画像に生じるノイズの増加を防ぐことが可能である。

なお、図２においては、所望の被写体距離に対するＯＴＦのレスポンスがゼロであることを例示したが、他の被写体距離に対するＯＴＦのレスポンスがゼロとなってもよい。（ＯＴＦのレスポンスが要求周波数からナイキスト周波数の間においてゼロとなる被写体距離は広範囲に亘ることが好ましい。しかし、例えば、撮影頻度が高いと想定される被写体の距離を所望の被写体距離に定め、少なくとも所望の被写体距離に対するＯＴＦのレスポンスがゼロとなれば、本実施形態の効果が得られる。）

また、第１の周波数ｓｆ１より高い帯域においては、基準ＯＴＦのレスポンスよりも低くなるように収差制御面１１２を形成することも可能である。このような特性を満たせば、第１の周波数ｓｆ１未満の空間周波数の範囲においてＯＴＦのレスポンスをさらに向上させることが可能である。

また、本実施形態では、ゼロから第１の空間周波数ｓｆ１までの間において、空間周波数の増加に対してＯＴＦのレスポンスは減少する。本実施形態と異なり、空間周波数に対するＯＴＦのグラフにおいてＯＴＦのレスポンスにピーク値をもたすことにより、特定の周波数の被写体像に対してボケの発生を低減化させることが可能である。しかし、このような構成では、特定の周波数以外の周波数の被写体像を撮像するときに偽像が発生する。本実施形態では、上述のように第１の空間周波数ｓｆ１未満の範囲において空間周波数の増加に対してＯＴＦのレスポンスを減少させることにより、レスポンスにピークが発生することを防ぎ、偽像の発生が抑止される。

なお、上述のように、すべての被写体距離に対してＯＴＦのレスポンスがゼロになるわけでなく、ＯＴＦのレスポンスがゼロとならない被写体距離が存在する。それゆえ、そのような被写体距離に対してはナイキスト周波数未満の範囲において空間周波数の増加に対してＯＴＦのレスポンスを減少させることにより、レスポンスにピークが発生することが防がれる。

また、撮影光学系１１０では、図３の被写体距離ＯＴＦに示すように、第１の空間周波数ｓｆ１より低い第３の空間周波数を最大値とする第２の帯域の任意の周波数において２つのピーク（ｐ１参照）を有し、そのピーク位置により結像位置が挟まれる。このように第３の空間周波数において２つのピークを有することにより、結像位置におけるＯＴＦの極端な低下を防ぐことが可能である。後述のように、空間周波数により被写体距離ＯＴＦのピーク位置が変動するが、結像位置におけるＯＴＦの極端な低下を避けることが好ましい。結像位置に対応する物体面に位置する物体は主要な被写体と考えられ、再生画像におけるノイズを出来るだけ低減化することが好ましいからである。なお、被写体距離ＯＴＦが２つのピークを有する空間周波数の帯域がいずれかにあれば他の帯域においても結像位置におけるＯＴＦの極端な低下を防止することは可能であり、全帯域において２つのピークを有さなくても良い。

また、撮影光学系１１０では、図４、図５の被写体距離ＯＴＦに示すように、空間周波数が低くなるほど、被写体距離ＯＴＦのピーク位置が近距離側に変位する（図４における“ｐ２”、図５における“ｐ３”参照）。

被写体までの距離が短くなるほど光学像の空間周波数は低く、距離が長くなるほど光学像の空間周波数が高いことが、一般的である。それゆえ、空間周波数が低い場合には近距離側において被写体距離ＯＴＦにピーク値を持たせることにより（図４参照）、近距離にあり空間周波数の低い光学像に対する再生画像に発生するノイズを低減化させることが可能である。また、空間周波数が高い場合には遠距離側おいて被写体距離ＯＴＦにピーク値を持たせることにより（図５参照）、遠距離にあり空間周波数の高い光学像に対する再生画像のノイズを低減化させることが可能である。

なお、図６に示すように、撮影光学系１１０は、球面収差曲線において２つの変曲点を有す。前述のように、球面収差を生じさせることにより焦点深度の深い分散画像を撮像素子１０１の受光面上に形成可能であるが、ＯＴＦの極端な低下が生じることがある。そこで、変曲点を持たせるように収差制御面１１２を形成することにより、ＯＴＦの極端な低下を避けることが可能となる。また、２つの変曲点間の振幅を広げることにより、焦点深度を広げることが可能である。

以上のような構成の本実施形態の撮像装置によれば、上述のように、第１の空間周波数ｓｆ１におけるＯＴＦをゼロにすることによって、分散画像のデコンボリューション処理によって得る再生画像に生じるノイズを低減化させる分散画像を撮像素子１０１の受光面上に形成可能となる。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

例えば、本実施形態において、収差制御面１１２が撮影光学系１１０を構成するレンズ１１１の内面に形成させる構成であるが、図７に示すように、撮影光学系１１０’全体に上述のような光学特性を発生させる収差制御素子１０４が、撮影光学系１０１’に含まれても良い。

また、本実施形態において、被写体距離ＯＴＦのピークは空間周波数が低くなるほど近距離側に変位する構成であるが、被写体距離ＯＴＦのピークが空間周波数に応じて単に変位する構成であってもよい。本願発明を適用する撮像装置によっては、遠距離または近距離において主要被写体が定まっていることがあり、そのような主要被写体の空間周波数が特定の帯域に含まれることがあり得る。それゆえ、距離に応じた主要被写体の空間周波数に基づいてピーク位置が定められてもよい。

また、本実施形態の撮像装置は、デジタルカメラ１０に適用される構成であるが、例えば、デジタルビデオカメラ、カメラ機能付き携帯電話等の他の撮像装置に適用することも可能である。

また、本発明は、撮影光学系１１０、撮像素子１０１、およびＤＳＰ１０３などを一体的に有する撮像装置に適用される構成であるが、デジタル一眼レフカメラのようにカメラ本体に対して着脱可能な撮影レンズ（撮影レンズユニット）に対しても適用可能である。撮影レンズユニットに本発明を適用する場合には、フィルタを格納したレンズメモリを撮影レンズユニットに設け、カメラ本体への装着時にカメラ本体のＤＳＰがレンズメモリからフィルタを読出し、画像信号に復元処理を施すことにより本実施形態と同様の効果を得ることが可能である。または、撮影レンズユニットの種類を判別させる識別信号がレンズメモリに格納される構成であってもよい。様々な撮影レンズユニットにそれぞれ対応した複数のフィルタがカメラ本体のＥＥＰＲＯＭに格納され、レンズメモリから読出した識別信号に基づいて単一のフィルタが選択される構成でも本実施形態と同様の効果を得ることは可能である。

また、本発明は撮影レンズユニットおよび撮像装置に適用されるが、撮影光学系、撮像素子、およびメモリを有し、デコンボリューション処理を施す画像処理装置に画像信号を出力する撮像ユニット、例えば電子内視鏡などに適用してもよい。

１００ デジタルカメラ
１０１ 撮像素子
１０３ ＤＳＰ
１０７ ＥＥＰＲＯＭ
１１０、１１０’ 撮影光学系
１１１ レンズ
１１２ 収差制御面
１１３ 収差制御素子

Claims (10)

1. 所定の収差を発生させる収差制御素子を有し、光学像を結像させる撮影光学系と、
   前記光学像に対応する画像信号を生成する撮像素子と、
   前記所定の収差に基づいて、前記所定の収差により低下した画像特性を向上させるように前記画像信号に対して画像処理を施す画像処理部とを備え、
   前記収差制御素子は、前記撮像素子のナイキスト周波数未満の第１の空間周波数において前記撮影光学系の少なくとも所定の被写体距離に対する光伝達関数のレスポンスをゼロにさせる
   ことを特徴とする撮像装置。
2. 請求項１に記載の撮像装置において、前記収差制御素子は、前記第１の空間周波数未満である第２の空間周波数を最大値とする第１の帯域における前記光伝達関数のレスポンスを、ゼロから前記ナイキスト周波数までの範囲においてゼロより大きな前記光伝達関数である基準光伝達関数のレスポンスよりも向上させることを特徴とする撮像装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の撮像装置において、前記光伝達関数のレスポンスがゼロである第１の被写体距離に対しては前記レスポンスがゼロとなる空間周波数未満、および前記第１の被写体距離以外の被写体距離に対しては前記ナイキスト周波数未満の少なくとも一方を満たす空間周波数において、前記収差制御素子は空間周波数の増加に対して前記光伝達関数のレスポンスを減少させることを特徴とする撮像装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の撮像装置において、前記収差制御素子は、第１の空間周波数未満である第３の空間周波数を最大値とする第２の帯域における任意の周波数で被写体距離光伝達関数のピーク位置を少なくとも２つ有する特性を前記撮影光学系に設けることを特徴とする撮像装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の撮像装置において、前記収差制御素子は被写体距離光伝達関数のレスポンスのピーク位置を空間周波数によって変位させることを特徴とする撮像装置。
6. 請求項５に記載の撮像装置において、前記収差制御素子は被写体距離光伝達関数のピーク位置を空間周波数が低くなるほど近距離側に変位させることを特徴とする撮像装置。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の撮像装置において、前記収差制御素子は回転対称に形成された面を有することを特徴とする撮像装置。
8. 請求項７に記載の撮像装置において、前記収差制御素子は球面収差を生じさせ、前記球面収差が変曲点を有することを特徴とする撮像装置。
9. 受光面に形成される光学像に対応する画像信号を生成する撮像素子と、前記画像信号に対して画像処理を施す画像処理部を有する撮像本体に着脱自在である撮影レンズユニットであって、
   所定の収差を発生させる収差制御素子を有し、光学像を結像させる撮影光学系と、
   前記所定の収差に関する情報および前記所定の収差に対応付けられた情報の少なくとも一方である対応情報を格納するメモリと、
   前記対応情報を出力する出力器とを備え、
   前記収差制御素子は、前記撮像素子のナイキスト周波数未満の第１の空間周波数において前記撮影光学系の少なくとも所定の被写体距離に対する光伝達関数のレスポンスをゼロにさせ、
   前記画像処理部は、前記所定の収差により低下した画像特性を向上させるように前記対応情報により定められる前記所定の収差に基づいて前記画像信号に対して画像処理を施す
   ことを特徴とする撮影レンズユニット。
10. 画像処理装置に着脱可能な撮像ユニットであって、
    受光面に形成される光学像に対応する画像信号を生成する撮像素子と、
    所定の収差を発生させる収差制御素子を有し、光学像を結像させる撮影光学系と、
    前記所定の収差に関する情報および前記所定の収差に対応付けられた情報の少なくとも一方である対応情報を格納するメモリと、
    前記対応情報を出力する出力器とを備え、
    前記収差制御素子は、前記撮像素子のナイキスト周波数未満の第１の空間周波数において前記撮影光学系の少なくとも所定の被写体距離に対する光伝達関数のレスポンスをゼロにさせ、
    前記画像処理装置は、前記所定の収差により低下した画像特性を向上させるように前記対応情報により定められる前記所定の収差に基づいて前記画像信号に対して画像処理を施す
    ことを特徴とする撮像ユニット。

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