JP2015211357A - 撮像装置および撮像方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シンボルを認識するまでの時間を短縮することができる撮像装置および撮像方法を提供する。
【解決手段】光源は、照射した光線がレンズユニットの光軸方向に延伸した合焦面に沿うように設置され、判定部１４２は、撮像素子１２により撮像された撮像画像を分割した複数のエリアのうち、光源からの光線が被写体に照射されたポインタを含む照射エリアを判定し、認識処理部は、撮像画像のうち、判定部１４２により判定された照射エリアであって、フィルタ処理部１４３により逆変換処理が実行されたエリアに含まれるシンボルの認識処理を実行する。
【選択図】図９

Description

本発明は、撮像装置および撮像方法に関する。

近年、情報のデジタル化の発展に伴い、撮像装置の分野においてもデジタル化の発展が著しい。特に、デジタルカメラに代表される撮像装置において、撮像面は従来のフィルムに置き換わって固体撮像素子が使用されている。固体撮像素子（以下、単に撮像素子という）として、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）センサまたはＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサ等が使用されている。

このように、撮像素子を使用した撮像装置は、被写体からの光を光学系によって取り込み、固体撮像素子によって光を電気信号に変換して抽出するものである。このような撮像装置として、デジタルカメラの他、ビデオカメラ、シンボルリーダ（バーコードリーダ、二次元コードリーダ、ＯＣＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｈａｒａｃｔｅｒ Ｒｅａｄｅｒ）等）、携帯電話機、携帯情報端末（ＰＤＡ：Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）および産業用カメラ等が挙げられる。

このような、ＣＣＤまたはＣＭＯＳ等の撮像素子を備えた撮像装置として、多焦点の光学系を利用し、焦点が合う被写体側の位置（以下、合焦位置という）を光学系の光軸方向に延伸させ、被写体（バーコード等）の読み取り可能範囲を広げる撮像装置が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１に記載された撮像装置は、動作が遅いオートフォーカス機構を用いずに、多焦点の光学系を用いることで、被写体（バーコード等）の読み取りを行っている。

しかしながら、特許文献１に記載された撮像装置は、被写体となるバーコード等のシンボルの認識処理についての記載がない。そこで、通常通りに撮像画像全体で、シンボルの認識処理を行うものとすると、シンボルが表示されていない画像の部分にまで認識処理を実行することになり、シンボルを認識するのに時間がかかるという問題点がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、シンボルを認識するまでの時間を短縮することができる撮像装置および撮像方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、光を入射する光学系と、前記光学系を通過した前記光を画素に変換して画像を撮像する撮像手段と、光線を照射する光源と、前記画像から、前記光線が照射された被写体を含む照射エリアを判定する判定手段と、前記照射エリアにおいて、シンボルを認識する認識処理手段と、を備え、前記光学系および前記撮像手段は、合焦位置が前記光学系の光軸の方向に延伸した合焦面を形成するように配置され、前記光源は、前記合焦面上または該合焦面の近傍の位置に前記光線を照射することを特徴とする。

本発明によれば、シンボルを認識するまでの時間を短縮することができる。

図１は、第１の実施の形態の撮像システムの全体構成の一例を示す図である。 図２は、第１の実施の形態の情報処理装置のハードウェア構成の一例を示す図である。 図３は、第１の実施の形態の撮像装置の構成の一例を示す図である。 図４は、被写体の距離によって焦点が合うか否かの説明をする図である。 図５は、シャインプルーフの原理を説明する図である。 図６は、シャインプルーフの原理によりレンズユニットの光軸方向に延伸した合焦面を説明する図である。 図７は、撮像画像の位置によって焦点が合うか否かを説明する図である。 図８は、第１の実施の形態の撮像装置における光学系周辺の要部構成の一例を示す図である。 図９は、第１の実施の形態の撮像装置の画像処理部のブロック構成の一例を示す図である。 図１０は、第１の実施の形態の撮像装置の撮像素子により撮像される撮像画像の一例を示す図である。 図１１は、撮像素子から出力される画素が画像バッファ部に入力される動作を示すタイミングチャートである。 図１２は、撮像画像におけるエリアごとに光源の照射の有無を判定する動作を説明する図である。 図１３は、逆変換フィルタの構成の一例を示す図である。 図１４は、画像を逆変換フィルタによってフィルタ処理することを説明する図である。 図１５は、画像の照射エリアにおいてフィルタ処理の対象となる対象部分画像をスキャンする動作を説明する図である。 図１６は、第１の実施の形態の画像処理部のフィルタ処理部の逆変換フィルタを決定するための周波数特性を演算する流れを示すフローチャートである。 図１７は、光学系を通過した光による撮像画像の空間周波数特性を示す図である。 図１８は、逆変換処理が行われた画像の空間周波数特性を示す図である。 図１９は、合焦面の各位置において被写界深度が拡張された場合に形成される合焦領域を説明する図である。 図２０は、撮像素子上でピントの合う領域が拡大されることを説明する図である。 図２１は、第１の実施の形態の撮像装置の動作の一例を示すフローチャートである。 図２２は、第１の実施の形態の変形例に係る撮像装置における光学系周辺の要部構成の一例を示す図である。 図２３は、第２の実施の形態のコードリーダの外観構成の一例を示す図である。 図２４は、第２の実施の形態のコードリーダの合焦面の位置および動作を説明する図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明に係る撮像装置および撮像方法の実施の形態を詳細に説明する。また、以下の実施の形態によって本発明が限定されるものではなく、以下の実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想到できるもの、実質的に同一のもの、およびいわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、以下の実施の形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換、変更および組み合わせを行うことができる。

（第１の実施の形態）
＜撮像システムの全体構成＞
図１は、第１の実施の形態の撮像システムの全体構成の一例を示す図である。図１を参照しながら、本実施の形態の撮像システム５００の構成について説明する。

図１に示すように、本実施の形態の撮像システム５００は、撮像装置１と、ＰＣ２と、を備えている。撮像装置１とＰＣ２とは、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）ケーブル等の通信ケーブル３によって通信可能に接続されている。

撮像装置１は、被写体４からの光を電気信号に変換することによって被写体４を撮像し、撮像画像の情報（以下、単に撮像画像という）に対して画像処理を実行し、画像処理後の画像に含まれるシンボルを認識して、認識したシンボルをデコードし、デコードした情報を、通信ケーブル３を介してＰＣ２へ送信する。ここで、撮像装置１によるシンボルの認識、および認識したシンボルのデコードの動作を、単に「シンボルの認識処理」というものとする。シンボルとしては、例えば、バーコード、二次元コードまたは文字列等が挙げられる。ＰＣ２は、撮像装置１から受信したデコードされた情報に基づいて所定の処理を実行する。

例えば、撮像装置１は、生産ラインを流れる製品に添付されたバーコードを撮像して、バーコードを読み取るための認識処理を実行し、デコードされた情報としての品番情報等をＰＣ２に送信する。ＰＣ２は、例えば、受信した品番情報等をデータベースで管理する。

なお、図１に示すように、撮像システム５００は、撮像装置１とＰＣ２とが通信ケーブル３を介してデータを通信する有線通信方式のシステムとしているが、これに限定されるものではない。例えば、撮像装置１とＰＣ２とは、Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標）（ＷｉｒｅｌｅｓｓＦｉｄｅｌｉｔｙ）等の無線通信方式によって互いにデータが通信可能であってもよい。

また、撮像装置１およびＰＣ２が生産ラインにおいて使用される場合、撮像システム５００は、ＰＣ２がＰＬＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）等に通信可能に接続されている構成としてもよい。この場合、撮像システム５００の動作として、以下の動作が一例として挙げられる。撮像装置１は、生産ラインを流れる製品に添付されたバーコードを撮像して、認識処理によりバーコードを認識してデコードし、デコードした情報としての品番情報をＰＣ２に送信する。ＰＣ２は、受信した品番情報から、生産ラインを流れている製品の品番を判定する。ＰＣ２は、判定した品番が、生産ラインにおいて段替えされている品番と不一致である場合、判定した品番に対応する製品は異なる品番の製品であることを示す信号をＰＬＣに送信する。ＰＬＣは、ＰＣ２から異なる品番の製品であることを示す信号を受信した場合、その製品を生産ラインから除去するように生産ラインの動作を制御する。

＜情報処理装置の構成＞
図２は、第１の実施の形態の情報処理装置のハードウェア構成の一例を示す図である。図２を参照しながら、情報処理装置の一例であるＰＣ２のハードウェア構成について説明する。

図２に示すように、情報処理装置の一例であるＰＣ２は、通信部２１と、操作部２２と、表示部２３と、記憶部２４と、外部記憶装置２５と、制御部２６と、を備えている。上記の各部は、バス２７によって接続され、互いにデータの送受信が可能となっている。

通信部２１は、通信ケーブル３を介して、撮像装置１と通信する装置である。通信部２１は、例えば、ＮＩＣ（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｃａｒｄ）等の通信装置によって実現される。通信部２１の通信プロトコルは、例えば、ＴＣＰ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）／ＩＰ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）またはＵＤＰ（Ｕｓｅｒ Ｄａｔａｇｒａｍ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）／ＩＰ等よって実現される。

操作部２２は、ユーザによって制御部２６に対して所定の処理を実行させるための操作入力を行う装置である。操作部２２は、例えば、マウス、キーボード、テンキー、タッチパッドまたはタッチパネルにおける操作入力機能によって実現される。

表示部２３は、制御部２６により実行されているアプリケーションの画像等を表示する装置である。表示部２３は、例えば、ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）ディスプレイ、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイまたは有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイ等によって実現される。

記憶部２４は、ＰＣ２で実行される各種プログラムおよびＰＣ２で行われる各種処理に使用されるデータ等を記憶する装置である。記憶部２４は、例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）およびＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶装置によって実現される。

外部記憶装置２５は、画像、撮像装置１によりシンボルからデコードされた情報、プログラムおよびフォントデータ等を蓄積して記憶する記憶装置である。外部記憶装置２５は、例えば、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、光ディスク、または光磁気ディスク（ＭＯ：Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｉｓｋ）等の記憶装置によって実現される。

制御部２６は、ＰＣ２の各部の動作を制御する装置である。制御部２６は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）およびＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等で実現される。

＜撮像装置の構成＞
図３は、第１の実施の形態の撮像装置の構成の一例を示す図である。図３を参照しながら、本実施の形態の撮像装置１の構成について説明する。

図３に示すように、撮像装置１は、レンズユニット１１（光学系の一例）と、撮像素子１２（撮像手段）と、画像処理部１４と、認識処理部１５（認識処理手段）と、通信部１６と、光源１７と、を備えている。

レンズユニット１１は、被写体４（図１参照）からの光を集光し、撮像素子１２に対して結像させるユニットである。レンズユニット１１は、１枚以上のレンズで構成された光学系によって実現される。レンズユニット１１は、位相板１１ａと、絞り１１ｂとを備えている。被写体４は、例えば、人物、被監視物、またはバーコード等のシンボル等である。

位相板１１ａは、レンズユニット１１に入射する光に対して収差を与える作用を有する。その結果、位相板１１ａは、撮像素子１２に入射される光に対して点像分布関数（ＰＳＦ：Ｐｏｉｎｔ Ｓｐｒｅａｄ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を付加する作用を有し、撮像素子１２で撮像される画像がぼけた状態とする代わりに広い被写界深度でそのぼけが一定となるようにする。なお、レンズユニット１１に入射する光に対して収差を与えるのは、位相板１１ａに限定されるものではなく、レンズユニット１１に含まれるレンズによって収差が与えられるものとしてもよい。

絞り１１ｂは、レンズユニット１１に入射する光の量を自在に調整する部材であり、位相板１１ａの近傍に配置されている。

撮像素子１２は、レンズユニット１１に入射する被写体からの光を電気信号に変換することによって被写体４を撮像して画像を生成する固体撮像素子である。撮像素子１２は、固体撮像素子を構成する各検出単位によって撮像した画像を構成する画素を出力する。撮像素子１２は、例えば、ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサ等によって実現される。

画像処理部１４は、撮像素子１２から出力される撮像画像から、フィルタ処理を施した画像を生成する。

認識処理部１５は、画像処理部１４によりフィルタ処理が実行された画像に基づいて、画像に含まれるシンボルを認識して、認識したシンボルをデコードするシンボルの認識処理を実行する。

通信部１６は、通信ケーブル３を介して、ＰＣ２と通信する装置である。通信部１６は、例えば、認識処理部１５から出力されるデコードされた情報をＰＣ２に対して送信する。通信部１６は、例えば、ＮＩＣ等の通信装置によって実現される。通信部１６の通信プロトコルは、例えば、ＴＣＰ／ＩＰまたはＵＤＰ／ＩＰ等よって実現される。

光源１７は、後述するように、照射した光線が、センサ面（検出面）がレンズユニット１１における光軸に垂直な面（主面）に対してチルトした（傾いた）撮像素子１２によりレンズユニット１１の光軸方向に延伸した合焦面に沿うように設置された光源である。光源１７は、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）またはレーザ等の発光装置である。

なお、認識処理部１５は、撮像装置１に含まれる構成としているが、撮像装置１に接続される外部機器の機能によって実現されるものとしてもよい。例えば、認識処理部１５は、撮像装置１ではなくＰＣ２において実現されるものとしてもよい。

また、画像処理部１４および認識処理部１５は、ソフトウェアであるプログラムが実行されることによって実現されてもよく、または、ＡＳＩＣまたはＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）等のハードウェア回路によって実現されてもよい。

＜シャインプルーフの原理について＞
図４は、被写体の距離によって焦点が合うか否かの説明をする図である。図５は、シャインプルーフの原理を説明する図である。図６は、シャインプルーフの原理によりレンズユニットの光軸方向に延伸した合焦面を説明する図である。図７は、撮像画像の位置によって焦点が合うか否かを説明する図である。図４〜７を参照しながら、本実施の形態に係る撮像装置１が採用するシャインプルーフの原理について説明する。

図４に示すように、通常、撮像装置のレンズユニット１１における光軸に垂直な主面と、撮像素子１２のセンサ面とは略平行に配置されている。光学系であるレンズユニット１１には、所定の被写界深度があり、被写界深度に含まれる焦点以外の点において、被写体は焦点が合わない（合焦しない）。ここで、被写界深度とは、撮像装置の光学系からある距離にある被写体に対して、焦点が合っていると許容できる光学系の光軸方向の距離範囲のことをいう。図４に示す３つの被写体４ａ〜４ｃのうち、焦点が合う合焦位置にあるのは、被写体４ｂのみで、被写体４ａ、４ｃは合焦位置にない。したがって、撮像素子１２で結像されるのは、被写体４ｂのみであり、被写体４ａ、被写体４ｃは、撮像素子１２で結像しない。

そのため、一般的には、このような広い範囲の合焦位置（フォーカス位置）をサポートするために、機械的にレンズの位置を変更するオートフォーカス等の方法が用いられている。しかしながら、オートフォーカス機構はサイズが大きくなる上に高価であり、かつ合焦させるために、レンズを移動させて合焦位置を探索する必要があり、被写体に焦点の合った画像を得るまでに時間がかかるという問題点がある。

これを解決する方法の一例として、図５に示すように、撮像素子１２のセンサ面を、レンズユニット１１の主面に対して傾けたシャインプルーフの原理を用いる方法がある。シャインプルーフの原理とは、図５に示すように、撮像素子１２のセンサ面と、レンズユニット１１の主面とが１つの直線で交わる場合、合焦する被写体側の面（以下、合焦面５０と称する）も同じ直線で交わるという原理である。すなわち、撮像素子１２の位置によって被写体側の合焦位置が変わることになり、被写体との距離に応じた適切な場所、すなわち、合焦面５０上に被写体を配置することによって、レンズユニット１１の光軸方向の広い範囲において合焦した撮像画像を得ることができる。

このようにシャインプルーフの原理を用い、撮像素子１２のセンサ面を、レンズユニット１１の主面に対して傾けることによって、合焦位置がレンズユニット１１の光軸方向に延伸した合焦面５０を形成することができる。この場合、図６に示すように、被写体４ａ〜４ｃを合焦面５０上に配置した状態で、撮像素子１２により撮像すると、被写体４ａ〜４ｃのいずれにも焦点が合った撮像画像を得ることができる。

しかしながら、図６に示すシャインプルーフの原理を用いて合焦位置をレンズユニット１１の光軸方向に延伸させる場合、被写体との距離に応じて、撮像画像上において合焦した状態で表示される適切な撮像位置が変わる。したがって、ユーザは、被写体の距離に応じて、適切な撮像位置となるように撮像装置１を移動させる必要があり、容易に被写体の撮像位置を決定することができないという問題点が生じる。例えば、図７に示すように、撮像画像１００に含まれている大きさおよび形状が全て同一の被写体４ａ〜４ｄのうち、被写体４ａ〜４ｃは、合焦面５０上に配置されているため、焦点が合った状態で撮像されている。この場合、被写体４ａは、合焦面５０上の撮像装置１に近い位置に配置されており、被写体４ｃは、合焦面５０上の撮像装置１から遠い位置に配置されており、被写体４ｂは、被写体４ａと被写体４ｃとの中間に位置する合焦面５０上に位置に配置されている。しかし、被写体４ｄは、撮像装置１からの距離が被写体４ａと同じ距離に配置されているが、合焦面５０上に配置されていないために、焦点が合っていない状態で撮像されている。したがって、被写体４ｄを焦点が合った状態で撮像するために、ユーザは、被写体４ｄの撮像位置が、図７における被写体４ａの撮像位置となるように撮像装置１を移動させなければならないが、これは容易にできることではない。以下、図８を参照しながら、この問題を解決するための本実施の形態のレンズユニット１１周辺の要部構成について説明する。

＜レンズユニット周辺の要部構成＞
図８は、第１の実施の形態の撮像装置における光学系周辺の要部構成の一例を示す図である。図８を参照しながら、撮像装置１のレンズユニット１１周辺の要部構成について説明する。

図８に示すように、撮像素子１２は、センサ面がレンズユニット１１の主面に対して傾けて配置されており、シャインプルーフの原理によって、合焦位置がレンズユニット１１の光軸方向に延伸した合焦面５０が形成されている。すなわち、合焦面５０は、レンズユニット１１の光学特性、およびレンズユニット１１と撮像素子１２のセンサ面（結像面）との位置関係に基づいて、形成される。また、光源１７は、撮像素子１２のセンサ面と、レンズユニット１１の主面とが交わる直線の位置に配置されている。そして、光源１７は、照射するビーム状の光線６０の方向をレンズユニット１１の画角の中心軸方向からずらし、光線６０が合焦面５０上に位置するように照射する。光線６０は、被写体に照射した場合に、円形のポインタが形成されるものとしてもよいし、矩形状のポインタが形成されるものとしてもよい。

以上のように光源１７を配置することによって、光源１７が照射する光線６０は、合焦面５０上に配置された被写体を照射することになる。図８に示すように、被写体４ａ〜４ｃは、いずれも、合焦面５０上に配置されているので、光線６０によって照射されることになる。逆に、被写体が光線６０により照射されるように、被写体または撮像装置１を移動させることによって、被写体を焦点が合う撮像位置に配置させることができる。すなわち、ユーザは、光源１７が照射する光線６０が示す位置に被写体（例えば、二次元コード等）が配置されるように、撮像装置１を移動させることによって、容易に被写体の距離に応じた適切な撮像位置とすることができ、被写体の焦点が合った撮像画像を得ることができる。

なお、光源１７が照射する光線６０は、被写体における撮像装置１側の面がレンズユニット１１の主面と略平行等に配置されている場合、被写体の面に対して斜めから照射することになる。したがって、被写体に照射された光線６０のポインタは、歪んだ形状を呈することになる。よって、光源１７は、元から断面形状が歪んだ状態の光線６０を照射し、被写体の面に対して斜めから照射されたときに正規の形状（円形、矩形等）となるようにしてもよい。

また、通常、撮像素子１２におけるセンサ面は、長方形の形状となっている。例えば、撮像素子１２が、６４０×４８０のマトリックス状に配置された検出素子で構成された場合等である。この場合、撮像素子１２を、センサ面の長手方向が、レンズユニット１１の主面に対して傾けて配置させることが望ましい。これによって、合焦面５０をレンズユニット１１の光軸方向により大きく延伸させることができる。

また、光源１７は、撮像素子１２のセンサ面と、レンズユニット１１の主面とが交わる直線の位置に配置されているものとしたが、これに限定されるものではない。すなわち、光源１７から照射される光線６０が、合焦面５０上に位置するように照射されるものとすれば、光源１７はどの位置に配置されてもよい。

ここで、上述のように、シャインプルーフの原理を用いて、合焦位置がレンズユニット１１の光軸方向に延伸した合焦面５０を形成させたとしても、上述のようにレンズユニット１１が有する所定の被写界深度の制限により、レンズユニット１１の主面に平行な方向については焦点が合う範囲が狭い。したがって、レンズユニット１１の主面に平行な方向において焦点が合う範囲を超える大きさの被写体については、被写体の全体に対して焦点を合わせて撮像することができないことになる。

ここで、合焦面５０上の各位置において、上述のレンズユニット１１の光軸方向の被写界深度の拡張をすることができれば、焦点が合う領域が広くなり、大きな被写体の全体に対して焦点の合った状態で撮像することが可能となる。ここで、被写界深度拡張（ＥＤｏＦ：Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｄｅｐｔｈ ｏｆ Ｆｉｅｌｄ）の概略について説明する。レンズユニット１１に含まれるレンズおよび位相板１１ａは、上述のように、撮像素子１２に入射される被写体の光に収差を与えて点像分布関数を付加する働きをする。例えば、レンズは、収差として、撮像素子１２に入射される被写体の光に球面収差を与える。レンズユニット１１は、収差によって撮像素子で撮像する画像がぼけた状態にする代わりに広い被写界深度でそのぼけが一定となるようにする。したがって、レンズユニット１１によってぼけた画像は、所定のＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）の値が得られるように補正する必要がある。ＭＴＦは、被写体の持つコントラストを、どれくらい忠実に再現できるかを数値化した値、すなわちコントラストの再現率を示す。このような、レンズユニット１１によってぼけた画像に対して、ぼけを補正する撮像装置として、点像分布関数の逆変換処理を施すことによって、ＭＴＦを向上させ、高解像度の画像に補正することができる。逆変換処理は、光学系によってぼけた画像を形成する各画素に対して、逆変換フィルタによるフィルタ処理を施すことにより画像のぼけ（収差）を復元することによって実現される。以下、画像処理部１４のブロック構成の詳細を説明すると共に、逆変換処理による被写界深度拡張（ＥＤｏＦ：Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｄｅｐｔｈ ｏｆ Ｆｉｅｌｄ）の方法の一例について説明する。

＜画像処理部の構成および動作＞
図９は、第１の実施の形態の撮像装置の画像処理部のブロック構成の一例を示す図である。図１０は、第１の実施の形態の撮像装置の撮像素子により撮像される撮像画像の一例を示す図である。図９を参照しながら、本実施の形態の撮像装置１の画像処理部１４のブロック構成について説明する。

撮像素子１２は、上述のように、レンズユニット１１に入射する被写体４（図１参照）からの光を電気信号に変換することにより被写体４を撮像し、画像を生成する固体撮像素子である。以下、撮像素子１２は、ＶＧＡ（Ｖｉｄｅｏ Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ａｒｒａｙ）の画像を形成して出力するものとして説明する。具体的には、撮像素子１２は、図１０に示すように、例えば、Ｘ方向に６４０個、Ｙ方向に４８０個の検出素子によって、６４０×４８０のマトリックス状に配列された画素で構成される画像である撮像画像１０１を撮像する。

なお、撮像素子１２が撮像する画像の大きさは６４０×４８０のＶＧＡの画像であるものとしたが、これに限定されるものではなく、異なる大きさの画像であってもよい。

図９に示すように、本実施の形態の画像処理部１４は、画像バッファ部１４１と、判定部１４２（判定手段）と、フィルタ処理部１４３（逆変換手段）とを備えている。

画像バッファ部１４１は、ラインバッファおよびレジスタ等を備え、撮像素子１２から出力される画素を順に入力して、撮像画像をバッファリングする処理部である。

判定部１４２は、画像バッファ部１４１から出力される撮像画像を所定の数のエリアに分割し、分割した複数のエリアのうち、光源１７からの光線が被写体に照射されたポインタを含むエリア（以下、照射エリアという）を判定する処理部である。判定部１４２が、分割した複数のエリアから照射エリアを判定する動作については、図１２において後述する。

フィルタ処理部１４３は、撮像画像において、判定部１４２により照射エリアとして判定されたエリアの画素に対して、フィルタ回路によって、所定のフィルタ処理を行う。本実施の形態においては、フィルタ処理に使用するフィルタとして、位相板１１ａの作用によって点像分布関数を与えられたぼけた画像に対して、ぼけ（収差）を補正（復元）する逆変換処理をするための逆変換フィルタを例に説明する。フィルタ処理部１４３の具体的な動作については、図１３〜１５において後述する。

＜＜撮像素子１２から出力される画素が画像バッファ部１４１に入力される動作＞＞
図１１は、撮像素子から出力される画素が画像バッファ部に入力される動作を示すタイ
ミングチャートである。図１１を参照しながら、撮像素子１２によって検出された画像の出力動作について説明する。

撮像素子１２は、検出した画素をＸ方向の１水平ラインずつ走査しながら、その１水平ラインに含まれる画素を出力する。具体的には、撮像素子１２は、Ｙ方向の１番目の水平ラインに含まれる画素を、Ｘ方向の１番目の画素から６４０番目の画素まで順に出力する。撮像素子１２は、上記の動作を、Ｙ方向の４８０番目までの水平ラインに含まれる画素の出力をそれぞれ行う。なお、撮像素子１２によって検出される画像の６４０×４８０の各画素について、Ｘ方向のＸ番目およびＹ方向のＹ番目の画素を（Ｘ，Ｙ）の画素というものとする。

上記の動作を図１１に示すタイミングチャートに基づいて説明する。図１１に示すように、撮像素子１２は、有効フレーム信号がオン状態のとき、１フレーム分、すなわち１画像分の画素を出力する。撮像素子１２において、有効フレーム信号がオン状態になってからフレーム開始期間Ａを経て、Ｙ方向の１番目の水平ラインの画素の出力許可を示す有効ライン信号Ｌ１がオン状態になる。撮像素子１２は、有効ライン信号Ｌ１がオン状態になっている有効データ期間Ｔの間に、Ｙ方向の１番目の水平ラインを走査し、その水平ラインに含まれるＸ方向の１〜６４０番目の画素（（１，１）〜（６４０，１）の画素）を順に出力する。撮像素子１２によってＹ方向の１番目の水平ラインの画素が出力された後、有効ライン信号Ｌ１がオフ状態になる。

撮像素子１２において、有効ライン信号Ｌ１がオフ状態になってから水平ブランキング期間Ｂを経て、Ｙ方向の２番目の水平ラインの画素の出力許可を示す有効ライン信号Ｌ２がオン状態になる。撮像素子１２は、有効ライン信号Ｌ２がオン状態になっている有効データ期間Ｔの間に、Ｙ方向の２番目の水平ラインを走査し、その水平ラインに含まれるＸ方向の１〜６４０番目の画素（（１，２）〜（６４０，２）の画素）を順に出力する。撮像素子１２によってＹ方向の２番目の水平ラインの画素が出力された後、有効ライン信号Ｌ２がオフ状態になる。

撮像素子１２は、以上の動作について、有効ライン信号Ｌ４８０がオン状態になっている有効データ期間Ｔの間に、Ｙ方向の４８０番目の水平ラインに含まれるＸ方向の１〜６４０番目の画素を出力するまで行う。撮像素子１２において、有効ライン信号Ｌ４８０がオフ状態になってからフレーム終了期間Ｃを経て、有効フレーム信号がオフ状態になる。以上の動作によって、撮像素子１２による１フレーム分の画素の出力が終了する。また、撮像素子１２において、有効フレーム信号がオフ状態になってから垂直ブランキング期間Ｄを経て、再び有効フレーム信号がオン状態になり、次の１フレーム分の画素の出力が開始される。

＜＜判定部１４２による照射エリアの判定動作＞＞
図１２は、撮像画像におけるエリアごとに光源の照射の有無を判定する動作を説明する図である。図１２を参照しながら、画像処理部１４の判定部１４２による撮像画像から照射エリアを判定する動作について説明する。

図８で上述したように、光源１７から照射されるビーム状の光線６０は、合焦面５０上に位置するように照射されるので、撮像対象となる被写体に光線６０が照射された状態で撮像素子１２により撮像された撮像画像には、光線６０のポインタが形成された被写体が含まれることになる。図１２は、光線６０のポインタが形成された被写体が含まれる撮像画像の一例として、光線６０のポインタ１０３が形成された被写体としてのバーコード表示板１１０を含む撮像画像１０２を示している。

判定部１４２は、画像バッファ部１４１から出力された撮像画像１０２を、所定の数のエリアに分割する。図１２の例では、判定部１４２は、撮像画像１０２を、３×３の９個のエリア１０２ａ〜１０２ｉに分割している。撮像画像１０２において、光線６０が照射されず、ポインタが形成されていないエリアは、シンボルを有する被写体が含まれていても焦点が合っていないため、デコードすることができない。一方、光線６０が照射されてポインタ１０３が形成されたバーコード表示板１１０を含むエリア１０２ａにおいては、バーコード表示板１１０に対して焦点が合っているため、バーコード表示板１１０上のシンボル（ここでは、バーコード）を認識することができ、デコードすることが可能となる。ここで、撮像画像１０２が分割された複数のエリア１０２ａ〜１０２ｉのうち、被写体であるバーコード表示板１１０に形成された光線６０のポインタ１０３を含むエリア１０２ａが、照射エリアとなる。

すなわち、照射エリアに含まれるシンボルを認識することができる可能性が十分高いので、フィルタ処理部１４３は、撮像画像のうち照射エリアに対して逆変換処理を実行すればよく、認識処理部１５は、撮像画像のうち照射エリアに対して、シンボルの認識処理を実行すればよいことになる。一方、撮像画像の照射エリア以外のエリアに含まれる被写体は焦点が合っておらず、シンボルを認識することができないので、照射エリア以外のエリアに対して、フィルタ処理部１４３は逆変換処理を実行する必要もなく、認識処理部１５はシンボルの認識処理を実行する必要もない。したがって、フィルタ処理部１４３の逆変換処理の負荷、および認識処理部１５の認識処理の負荷を低減することができるので、シンボルを認識するまでの時間を短縮することができる。

判定部１４２は、上述のように、フィルタ処理部１４３および認識処理部１５が撮像画像１０２の照射エリアに対して処理を実行するために、撮像画像１０２を分割した複数のエリア１０２ａ〜１０２ｉから照射エリアを判定する動作を実行する。分割された複数のエリア１０２ａ〜１０２ｉのうち、光線６０により被写体に照射されたポインタを含むエリアは、ポインタ部分の輝度値が高いため、エリア全体の平均の輝度値が、他の各エリア全体の平均の輝度値よりも高い。そこで、判定部１４２は、照射エリアを判定するために、まず、エリア１０２ａ〜１０２ｉそれぞれの平均の輝度値を算出する。次に、判定部１４２は、算出したエリア１０２ａ〜１０２ｉの平均の輝度値が、所定の閾値以上であるか否かを判定する。そして、判定部１４２は、平均の輝度値が所定の閾値以上であるエリアを照射エリアと判定する。図１２に示す撮像画像１０２の場合、エリア１０２ａに光線６０によりポインタ１０３が形成されたバーコード表示板１１０が含まれるので、エリア１０２ａの平均の輝度値が、所定の閾値以上となり、判定部１４２によってエリア１０２ａが照射エリアと判定される。なお、平均の輝度値が所定の閾値以上であるエリアが複数ある場合、判定部１４２は、例えば、その複数のエリアのうち最も平均の輝度値が高いエリアを照射エリアと判定すればよい。または、平均の輝度値が所定の閾値以上であるエリアが複数ある場合、判定部１４２は、照射エリアを特定することができないと判定するものとしてもよい。

なお、上述の所定の閾値は、例えば、光線６０のポインタが形成された被写体を含む撮像画像のエリアの平均の輝度値と、光源１７から光線６０が照射されない場合に、同じ被写体を同じ位置で撮像した場合の同じエリアの平均の輝度値とを求めておき、双方の平均値の間の値とすればよい。

また、上述のように、判定部１４２は、平均の輝度値が所定の閾値以上であるエリアを照射エリアと判定するものとしているが、これに限定されるものではない。すなわち、例えば、判定部１４２は、算出した平均の輝度値が最も高いエリアを照射エリアと判定するものとしてもよい。

また、図１２に示した撮像画像１０２では、エリアを大きさの等しい９個のエリアに分割する例を示したが、これに限定されるものではなく、その他の数のエリアに分割してもよいし、分割するエリアの大きさを等しくする必要もない。

また、図８に示すように、光源１７はビーム状の光線６０を照射して、図１２に示すように点状のポインタ１０３がバーコード表示板１１０に形成されているものとしているが、これに限定されるものではない。すなわち、光源１７が照射する光線６０はビーム状ではなく、放射状に広がりを有する光線であってもよい。

＜＜フィルタ処理部１４３の動作＞＞
図１３は、逆変換フィルタの構成の一例を示す図である。図１４は、画像を逆変換フィルタによってフィルタ処理することを説明する図である。図１５は、画像の照射エリアにおいてフィルタ処理の対象となる対象部分画像をスキャンする動作を説明する図である。図１３〜１５を参照しながら、画像処理部１４のフィルタ処理部１４３の逆変換処理について説明する。

逆変換処理に使用されるフィルタは、図１３に示すように、フィルタ係数ａ１１〜ａ１５、ａ２１〜ａ２５、ａ３１〜ａ３５、ａ４１〜ａ４５およびａ５１〜ａ５５によって構成される、例えばタップ数が５×５の線形フィルタである逆変換フィルタ１２１である。逆変換フィルタ１２１による逆変換処理の対象となる画像の部分を、図１４に示す対象部分画像１３１であるものとする。対象部分画像１３１は、画素Ａ１１〜Ａ１５、Ａ２１〜Ａ２５、Ａ３１〜Ａ３５、Ａ４１〜Ａ４５およびＡ５１〜Ａ５５によって構成された５×５の部分画像である。

フィルタ処理部１４３は、図１４に示すように、対象部分画像１３１に対して逆変換フィルタ１２１によってコンボリューション演算した値、すなわち、図１４の式（１）で表される演算値を算出する。コンボリューション演算の演算値は、対象部分画像１３１の中央に位置する画素である中央データに対して逆変換処理を実行した値となる。すなわち、コンボリューションの演算値は、逆変換処理後の画像において、逆変換処理前の画像の中央データに相当する位置の画素となる。

次に、フィルタ処理部１４３の逆変換処理について、図１５を参照しながら、画像１０５の照射エリア１０５ａにおいてＸ方向の水平ラインを走査しながら逆変換処理をする動作の概略を説明する。すなわち、判定部１４２によって、画像１０５の照射エリアとして、図１５の紙面視左上のエリアである照射エリア１０５ａが特定されたものとする。また、照射エリア１０５ａは、説明の便宜上、６×６の画素によって構成されているものとしているが、大きさはこれに限定されないのは言うまでもない。

図１５（ａ）は、フィルタ処理部１４３が、照射エリア１０５ａにおける（１，１）の画素に対して逆変換フィルタ１２１によって逆変換処理をする状態を示している。図１５（ａ）に示すように、（１，１）の画素を中央データ１３５ａとしてコンボリューション演算するためには、（１，１）の画素を中央データとする対象部分画像１３１ａと、画像１０５とが重複している部分の画素が必要になる。すなわち、対象部分画像１３１ａのうち、図１４に示す対象部分画像１３１の画素Ａ３３〜Ａ３５、Ａ４３〜Ａ４５およびＡ５３〜Ａ５５に相当する画素が必要である。そして、対象部分画像１３１ａにおいて、画像１０５と重複していない部分の画素は「０」として取り扱うものとする。

以上の状態において、フィルタ処理部１４３は、図１４に示したコンボリューション演算と同様に、対象部分画像１３１ａに対して逆変換フィルタ１２１によってコンボリューション演算を行う。フィルタ処理部１４３は、画像１０５の対象部分画像１３１ａの中央データ１３５ａである（１，１）の画素に対してコンボリューション演算した値を、逆変換処理後の画像の（１，１）の画素として出力する。

次に、フィルタ処理部１４３は、図１５（ｂ）に示すように、コンボリューション演算の対象となる画素をＸ方向にひとつシフトし、対象部分画像１３１ｂの中央データ１３５ｂである（２，１）の画素に対して逆変換処理をする。そして、フィルタ処理部１４３は、照射エリア１０５ａにおいてＸ方向の水平ラインをシフトしながらコンボリューション演算を繰り返し、図１５（ｃ）に示すように、照射エリア１０５ａにおけるＸ方向の水平ラインの最後の画素である（６，１）の画素に対して逆変換処理をする。（６，１）の画素は、図１５（ｃ）に示すように、対象部分画像１３１ｃの中央データ１３５ｃである。

以上のように、フィルタ処理部１４３は、Ｘ方向の水平ラインをシフトしながらコンボリューション演算を繰り返し、照射エリア１０５ａにおける水平ラインの最後の画素に対する逆変換処理が終了すると、Ｙ方向の次の水平ラインに対して同様に逆変換処理を行う。

図１５（ｄ）〜１５（ｆ）は、フィルタ処理部１４３が、照射エリア１０５ａにおけるＹ方向の４番目の水平ラインの画素に対して逆変換処理を行う状態を示している。図１５（ｄ）は、フィルタ処理部１４３が、照射エリア１０５ａにおける（１，４）の画素に対して逆変換フィルタ１２１によって逆変換処理をする状態を示している。図１５（ｄ）に示すように、（１，４）の画素を中央データ１３５ｄとしてコンボリューション演算するためには、（１，４）の画素を中央データとする対象部分画像１３１ｄと、画像１０５とが重複している部分の画素が必要になる。そして、対象部分画像１３１ｄにおいて、画像１０５と重複していない部分の画素は、上述と同様に「０」として取り扱うものとする。

図１５（ｅ）は、フィルタ処理部１４３が、照射エリア１０５ａにおける（５，４）の画素に対して逆変換フィルタ１２１によって逆変換処理をする状態を示している。図１５（ｅ）に示すように、（５，４）の画素を中央データ１３５ｅとする対象部分画像１３１ｅは全体が画像１０５と重複しているので、フィルタ処理部１４３は、対象部分画像１３１ｅに含まれる画素をすべて利用した逆変換処理が可能となる。

そして、フィルタ処理部１４３は、Ｘ方向の水平ラインをシフトしながらコンボリューション演算を繰り返し、図１５（ｆ）に示すように、照射エリア１０５ａにおけるＸ方向の水平ラインの最後の画素である（６，４）の画素に対して逆変換処理をする。（６，４）の画素は、図１５（ｆ）に示すように、対象部分画像１３１ｆの中央データ１３５ｆである。

以上のように、フィルタ処理部１４３は、画像１０５の照射エリア１０５ａを構成する各画素に対して逆変換フィルタ１２１によるコンボリューション演算を行って逆変換処理をするので、位相板１１ａによってぼけた画像を補正し、照射エリア１０５ａの部分の解像度を向上させることができる。

また、フィルタ処理部１４３は、画像１０５のうち照射エリア１０５ａに対して逆変換処理をすればよく、画像１０５全体に対して逆変換処理をする必要がない。したがって、フィルタ処理部１４３の逆変換処理の負荷を低減することができるので、認識処理部１５によるシンボルの認識までの時間を短縮することができる。

なお、上述のように、画像１０５における逆変換フィルタ１２１によるコンボリューション演算の対象となる対象部分画像について、画像１０５と重複していない部分の画素は「０」としたが、これに限定されるものではない。例えば、対象部分画像の画像１０５と重複していない部分の画素は、対象部分画像の中央データを基準にして、対象部分画像の画像１０５と重複している部分の画素を折り返した場合の画素を用いるものとしてもよい。

具体的に、図１５（ａ）の対象部分画像１３１ａを例にして説明する。対象部分画像１３１ａのそれぞれの画素の名称を、仮に図１４に示す対象部分画像１３１の画素の名称と同様とする。この場合、対象部分画像１３１ａの画像１０５と重複していない部分の画素は、画素Ａ１１〜Ａ１５、Ａ２１〜Ａ２５、Ａ３１、Ａ３２、Ａ４１、Ａ４２、Ａ５１およびＡ５２である。また、対象部分画像１３１ａの画像１０５と重複している部分の画素は、画素Ａ３３〜Ａ３５、Ａ４３〜Ａ４５およびＡ５３〜Ａ５５である。

このとき、画素Ａ３１、Ａ３２、Ａ４１、Ａ４２、Ａ５１およびＡ５２は、中央データを基準にして、対象部分画像１３１ａの画像１０５と重複している部分の画素を折り返し、それぞれ画素Ａ３５、Ａ３４、Ａ４５、Ａ４４、Ａ５５およびＡ５４の値を用いる。また、画素Ａ１３〜Ａ１５およびＡ２３〜Ａ２５は、中央データを基準にして、対象部分画像１３１ａの画像１０５と重複している部分の画素を折り返し、それぞれ画素Ａ５３〜Ａ５５およびＡ４３〜Ａ４５の値を用いる。そして、画素Ａ１１、Ａ１２、Ａ２１およびＡ２２は、中央データを基準にして、対象部分画像１３１ａの画像１０５と重複している部分の画素のうち点対称の位置関係にある画素、すなわち、それぞれＡ５５、Ａ５４、Ａ４５およびＡ４４の値を用いる。以上のような方法によって、対象部分画像の各画素を決定するものとしてもよい。

また、図１４に示すように、フィルタ処理部１４３が有する逆変換フィルタはタップ数が５×５のフィルタとしているが、これに限定されるものではない。すなわち、フィルタのタップ数は３×３、１５×１５または２１×２１等異なるタップ数としてもよい。この場合、フィルタのタップ数に合わせて、対象部分画像の大きさも一致させる必要がある。また、フィルタによる逆変換処理の対象となる中央データが存在するように、フィルタのタップ数は奇数である必要がある。

また、逆変換フィルタは、例えば１５×１５以上のタップ数であることが好ましい。逆変換フィルタは、タップ数が多いほど、位相板によって被写界深度が拡張されてぼけが加えられた画像に対して、ぼけを補正できる光軸上の幅を大きくすることができる。したがって、タップ数が多い逆変換フィルタを用いることによって、位相板およびレンズの被写界深度についての設計のバリエーションを増やすことができる。

＜逆変換フィルタの周波数特性の導出＞
次に、上述の逆変換フィルタ（例えば、図１４に示す逆変換フィルタ１２１）の周波数特性を導出する方法について説明する。まず、１箇所のフォーカス位置において光学系であるレンズユニット１１によって広がったスポットを一点に集まるように復元する逆変換処理に使用される逆変換フィルタの周波数特性の導出方法について説明する。上述の周波数特性を実現するフィルタとしては、二次元の線形フィルタかつＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタが好適である。

まず、撮像素子１２によって撮像された画像への光学系による影響のモデルを以下の式（２）に示す二次元のコンボリューション演算（畳み込み演算）の式によって表す。

ここで、ｉｍａｇｅ_{ｃａｐｔｕｒｅｄ}は光学系を通って検出された二次元の撮像画像の画素であり、ｉｍａｇｅ_{ｉｄｅａｌ}は被写体４（図１参照）そのものを示す理想画像の画素であり、ｈは光学系のＰＳＦを示す。

以下、画像処理系（撮像素子１２および画像処理部１４）に加わるノイズの影響を考慮して、逆変換処理後の画像の各画素と、理想画像の各画素との誤差についての平均二乗誤差を最小とする逆変換フィルタの周波数特性の導出を考える。平均二乗誤差は、以下の式（３）によって表される。

ここで、Ｅ［］は期待値（平均値）を示し、ｎは画像上の位置を示し、ｉｍａｇｅ_{ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ}（ｎ）は、ｉｍａｇｅ_{ｃａｐｔｕｒｅｄ}（ｎ）に対して逆変換処理をした画素を示す。なお、ｉｍａｇｅ_{ｃａｐｔｕｒｅｄ}は、ノイズが含まれていることを考慮する。

波形ｘ（ｎ）が持つ全エネルギーのｎの全領域についての総和と、波形ｘ（ｎ）のエネルギーのフーリエ変換Ｘ（ω）の全周波数成分についての総和とが等しいとするパーセバルの定理より、式（３）は、周波数領域における平均二乗誤差として以下の式（４）で表される。

ここで、ＩＭＡＧＥ_{ｉｄｅａｌ}（ω）はｉｍａｇｅ_{ｉｄｅａｌ}（ｎ）の周波数特性を示し、ＩＭＡＧＥ_{ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ}（ω）はｉｍａｇｅ_{ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ}（ｎ）の周波数特性を示し、ωは空間周波数を示す。

ここで、逆変換フィルタの周波数特性をＲ（ω）とすると、以下の式（５）の最小値を与える周波数特性Ｒ（ω）が最適の逆変換フィルタとなる。

ここで、ＩＭＡＧＥ_{ｃａｐｔｕｒｅｄ}（ω）は、ｉｍａｇｅ_{ｃａｐｔｕｒｅｄ}（ｎ）の周波数特性である。

式（５）において、ＩＭＡＧＥ_{ｉｄｅａｌ}（ω）＝Ｓ（ω）、およびＩＭＡＧＥ_{ｃａｐｔｕｒｅｄ}（ω）＝Ｘ（ω）とし、式（５）の最小値を求めるため、式（５）をＲ^＊によって微分すると、下記の式（６）が得られる。

ここで、Ｅ［｜Ｘ（ω）｜^２］は、ノイズを含んだ撮像画像のパワースペクトルの平均値であり、Ｅ［Ｓ（ω）・Ｘ（ω）^＊］は、ノイズを含んだ撮像画像と理想画像との相互パワースペクトルの平均値である。

式（５）の最小値を求めるため式（６）の最右辺を０とすると下記の式（７）が得られる。

式（７）から下記の式（８）が得られる。

この式（８）に示す周波数特性Ｒ（ω）に基づく逆変換フィルタが、上述の式（３）に示す平均二乗誤差を最小とする最適のフィルタとなる。

ここで、ノイズの周波数特性をＷ（ω）とし、光学系のＰＳＦであるｈの周波数特性をＨ（ω）として、上述の式（２）を周波数領域で示すと下記の式（９）で示される。

ノイズの周波数特性Ｗ（ω）と、周波数特性Ｓ（ω）とが無相関であるとすると、Ｅ［Ｓ（ω）・Ｗ（ω）^＊］＝０であるので、上述の式（８）の右辺の分子に、式（９）を代入すると、下記の式（１０）が得られる。

同じくノイズの周波数特性Ｗ（ω）と、周波数特性Ｓ（ω）とが無相関であるとすると、Ｅ［Ｗ（ω）・Ｓ（ω）^＊］＝０およびＥ［Ｓ（ω）^＊・Ｗ（ω）］＝０であるので、上述の式（８）の右辺の分母に、式（９）を代入すると、下記の式（１１）が得られる。

上述の式（８）、（１０）および（１１）から、下記の式（１２）に示す周波数特性Ｒ（ω）が得られる。

この式（１２）に示す周波数特性Ｒ（ω）に基づく逆変換フィルタが、画像処理系のノイズを考慮した場合の上述の式（３）に示す平均二乗誤差を最小とする最適なフィルタとなる。ここで、Ｅ［｜Ｓ（ω）｜^２］は理想画像のパワースペクトルの平均値であり、Ｅ［｜Ｗ（ω）｜^２］はノイズのパワースペクトルの平均値であり、｜Ｈ（ω）｜^２は光学系の周波数特性のパワースペクトルである。

また、上述の式（１２）に示す周波数特性Ｒ（ω）を適用した場合において、逆変換処理後の画像の各画素と、理想画像の各画素との二乗誤差についての周波数領域における積分を取ると、下記の式（１３）が得られる。

式（１３）の演算においては、上述のように、ノイズの周波数特性Ｗ（ω）と、周波数特性Ｓ（ω）とが無相関であることを利用している式（１３）の最右辺の第１項は、逆変換処理後の画像の復元しきれなかった誤差量を示している。第２項は、ノイズによる誤差量を示している。

式（１３）の積分値が最小となるように、光学系の周波数特性Ｈ（ω）を設計することによって、上述の式（５）に示す周波数領域においての平均二乗誤差が最小となる光学系および逆変換フィルタの組み合わせを得ることができる。また、パーセバルの定理より、上述の式（３）に示す実空間における平均二乗誤差が最小となる光学系および逆変換フィルタの組み合わせを得ることができる。

ただし、上述の式（１２）に示す周波数特性Ｒ（ω）に基づく逆変換フィルタは、レンズユニット１１の光軸方向の１箇所のフォーカス位置（すなわち１箇所の周波数特性Ｈ）において、光学系によって広がったスポットを復元することができるものである。したがって、式（１２）に示す周波数特性Ｒ（ω）に基づく逆変換フィルタは、スポットの形状が異なるその他のデフォーカス位置においては、スポットを復元するための最適なフィルタにはならない。

次に、レンズユニット１１の光軸方向の、あるデフォーカス位置範囲内において光学系であるレンズユニット１１によって広がったスポットを復元する逆変換処理に使用される逆変換フィルタの周波数特性の導出方法について説明する。これによって、１箇所のフォーカス位置における最適な逆変換フィルタではなく、複数の位置において最適な逆変換フィルタを求めることができる。

まず、２箇所のデフォーカス位置を想定し、上述の式（５）を変形して、２つの画像についての周波数領域における平均二乗誤差の和は、下記の式（１４）で表される。

２つの画像は、それぞれＩＭＡＧＥ１およびＩＭＡＧＥ２に対応する。

式（１４）において、ＩＭＡＧＥ１_{ｉｄｅａｌ}（ω）＝Ｓ１（ω）、ＩＭＡＧＥ１_{ｃａｐｔｕｒｅｄ}（ω）＝Ｘ１（ω）、ＩＭＡＧＥ２_{ｉｄｅａｌ}（ω）＝Ｓ２（ω）およびＩＭＡＧＥ２_{ｃａｐｔｕｒｅｄ}（ω）＝Ｘ２（ω）とする。そして、式（１４）の最小値を求めるため、式（１４）をＲ^＊によって微分すると、下記の式（１５）が得られる。

式（１５）の最小値を求めるため式（１５）の最右辺を０として、周波数特性Ｒ（ω）について解くと、下記の式（１６）が得られる。

撮像装置１によって同一の画像を撮像しているものと仮定すると、Ｓ１（ω）＝Ｓ２（ω）となり、これをＳ（ω）とおき、さらに、上述の式（９）の関係式から下記の式（１７）が得られる。

この式（１７）に示す周波数特性Ｒ（ω）に基づく逆変換フィルタが、上述の式（１４）に示す周波数領域の平均二乗誤差を最小とする最適なフィルタとなる。

以上は２つの画像の場合であったが、Ｎ個の画像、すなわち、Ｎ箇所のデフォーカス位置に一般化した周波数特性Ｒ（ω）は、下記の式（１８）で表される。

この式（１８）に示す周波数特性Ｒ（ω）に基づく逆変換フィルタが、画像処理系のノイズを考慮し、式（１４）に準じた複数のデフォーカス位置に対応する周波数領域の平均二乗誤差を最小とする最適なフィルタとなる。なお、できるだけ多くのデフォーカス位置、すなわち、できるだけ大きなＮの値によって周波数特性Ｒを導出するのが好ましい。

また、上述の式（１７）に示す周波数特性Ｒ（ω）を適用した場合において、逆変換処理後の画像の各画素と、理想画像の各画素との二乗誤差についての周波数領域における積分を取ると、下記の式（１９）が得られる。

上記の式（１９）の演算においては、上述のように、ノイズの周波数特性Ｗ（ω）と、周波数特性Ｓ（ω）とが無相関であることを利用している。

上述の式（１９）について、Ｎ個の画像、すなわち、Ｎ箇所のデフォーカス位置に一般化すると、下記の式（２０）が得られる。

式（２０）に示す値をＮで割った値である下記の式（２１）で示される値をＮ箇所のデフォーカス位置に一般化した場合の周波数領域における平均二乗誤差ＭＳＥ（Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ）であると定義する。

式（２１）に示すＭＳＥが最小となるように、光学系の周波数特性Ｈ（ω）を設計することによって、上述の式（１４）に準じる周波数領域においての平均二乗誤差が最小となる光学系および逆変換フィルタの組み合わせを得ることができる。また、パーセバルの定理により、実空間においての平均二乗誤差が最小となる光学系および逆変換フィルタの組み合わせを得ることができる。したがって、式（１８）に示す周波数特性Ｒ（ω）に基づいて、画像処理部１４のフィルタ処理部１４３が有する逆変換フィルタ１２１を導出するものとすればよい。

以上のように、Ｎ箇所のデフォーカス位置、すなわち、複数のデフォーカス位置について、式（１８）に示す周波数特性Ｒ（ω）から最適な逆変換フィルタを求めることができる。これによって、デフォーカス位置によってスポットの形状が変わっても、同一の逆変換フィルタによって復元することができるので、より広い範囲にまで被写界深度を拡張することができる。

図１６は、第１の実施の形態の画像処理部のフィルタ処理部の逆変換フィルタを決定するための周波数特性を演算する流れを示すフローチャートである。図１６を参照しながら、式（１８）に示す周波数特性Ｒを具体的に演算して求める流れについて説明する。

＜＜ステップＳ１＞＞
まず、レンズユニット１１における面曲率および面間隔等、ならびに位相板１１ａの特性等の光学系パラメータに基づいて、レンズユニット１１に対する光線追跡演算によりＰＳＦを導出する。ここで、複数のデフォーカス位置における光学系パラメータによって光線追跡演算を行い、ＰＳＦを導出する。そして、ステップＳ２へ進む。

＜＜ステップＳ２＞＞
ステップＳ１で導出したＰＳＦをフーリエ変換することによって、光学系の周波数特性Ｈを導出する。そして、ステップＳ５へ進む。

＜＜ステップＳ３＞＞
画像処理系（撮像素子１２および画像処理部１４）に加わるノイズ特性を測定する。そして、ノイズ特性をフーリエ変換することによって、ノイズの周波数特性Ｗを導出する。なお、ノイズ特性の測定が困難である場合は、空間周波数によらず、撮像素子１２のＳ／Ｎ比の値を定数としてノイズの周波数特性Ｗを導出するものとしてもよい。そして、ステップＳ５へ進む。

＜＜ステップＳ４＞＞
撮像装置１により、自然風景またはシンボル等が様々な大きさおよび撮影条件によって撮像された画像を理想画像とする。理想画像を構成する画素の値をフーリエ変換し、空間周波数ωについての平均値を被写体の周波数特性Ｓとして導出する。なお、被写体の周波数特性Ｓは、被写体から出る光に収差を与えない光学系を通過した光に基づく撮像画像の画素の周波数特性としてもよい。また、被写体の周波数特性Ｓは、定数としてもよい。そして、ステップＳ５へ進む。

＜＜ステップＳ５＞＞
ステップＳ２で導出した光学系の周波数特性Ｈ、ステップＳ３で導出したノイズの周波数特性Ｗ、およびステップＳ４で導出した被写体の周波数特性Ｓから、上述の式（１８）を使用して、逆変換フィルタの周波数特性Ｒを演算する。

＜ＭＴＦの空間周波数特性＞
図１７は、光学系を通過した光による撮像画像の空間周波数特性を示す図である。図１８は、逆変換処理が行われた画像の空間周波数特性を示す図である。図１７および１８を参照しながら、画像の空間周波数特性について説明する。

まず、図１７を参照しながら、レンズユニット１１（光学系）を通過した光が撮像素子１２によって撮像された画像についての空間周波数ωに対するＭＴＦについて説明する。図１７に示される目標空間周波数特性２０１は、被写体の撮像画像のコントラストが完全に再現された場合のＭＴＦの空間周波数ωについての特性（ＭＴＦ＝１）を示す。

上述したように、レンズユニット１１を通過した光は、収差を与えるレンズおよび位相板１１ａの作用によって点像分布関数（ＰＳＦ）が付加される。図１７における空間周波数特性２０２は、レンズユニット１１を通過した光に基づいて、撮像素子１２によりフォーカス位置において撮像された撮像画像のＭＴＦの空間周波数ωについての特性を示す。図１７における空間周波数特性２０３は、レンズユニット１１を通過した光に基づいて撮像素子１２によってあるデフォーカス位置において撮像された撮像画像のＭＴＦの空間周波数ωについての特性を示す。レンズユニット１１を通過した光はＰＳＦが付加されているので、フォーカス位置における空間周波数特性２０２、およびデフォーカス位置における空間周波数特性２０３は、図１７に示すように、何れも目標空間周波数特性２０１よりも低い値となる。

次に、図１８（ａ）を参照しながら、フィルタ処理部１４３が有する逆変換フィルタが、上述の式（１２）に示す周波数特性Ｒによって求められた場合を考える。この場合において、撮像素子１２によって撮像された画像がフィルタ処理部１４３によって逆変換処理が行われた画像についての空間周波数ωに対するＭＴＦについて説明する。

図１８（ａ）における空間周波数特性２０２ａは、撮像素子１２によりフォーカス位置において撮像された撮像画像について、フィルタ処理部１４３により逆変換処理された画像のＭＴＦの空間周波数ωについての特性を示す。図１８（ａ）における空間周波数特性２０３ａは、撮像素子１２によりあるデフォーカス位置において撮像された撮像画像について、フィルタ処理部１４３により逆変換処理された画像のＭＴＦの空間周波数ωについての特性を示す。上述のように、式（１２）は、１箇所のフォーカス位置において、レンズユニット１１によってＰＳＦが付加された画像を復元する逆変換フィルタの周波数特性Ｒを示すので、空間周波数特性２０２ａは、ＭＴＦ＝１となり、目標空間周波数特性２０１と一致する。しかし、式（１２）に示す周波数特性Ｒから導出された逆変換フィルタは、フォーカス位置におけるスポットとは形状の異なるデフォーカス位置には対応していないので、空間周波数特性２０３ａのＭＴＦは、空間周波数特性２０２ａのＭＴＦよりも低くなる。

次に、図１８（ｂ）を参照しながら、フィルタ処理部１４３が有する逆変換フィルタが、上述の式（１８）に示す周波数特性Ｒに基づいて求められた場合を考える。この場合において、撮像素子１２によって撮像された画像がフィルタ処理部１４３によって逆変換処理が行われた画像についての空間周波数ωに対するＭＴＦについて説明する。

図１８（ｂ）における空間周波数特性２０２ｂは、撮像素子１２によりデフォーカス位置Ｐ１において撮像された撮像画像について、フィルタ処理部１４３により逆変換処理された画像のＭＴＦの空間周波数ωについての特性を示す。図１８（ｂ）における空間周波数特性２０３ｂは、撮像素子１２によりデフォーカス位置Ｐ２において撮像された撮像画像について、フィルタ処理部１４３により逆変換処理された画像のＭＴＦの空間周波数ωについての特性を示す。上述のように、式（１８）は、複数のデフォーカス位置において、すなわち、レンズユニット１１の光軸方向の所定の位置範囲（被写界深度）において、レンズユニット１１によってＰＳＦが付加された画像を復元する逆変換フィルタの周波数特性Ｒを示す。したがって、被写界深度に含まれる何れのデフォーカス位置においても、撮像素子１２により撮像され、かつ、フィルタ処理部１４３により逆変換処理された画像の空間周波数特性におけるＭＴＦは、目標空間周波数特性２０１のＭＴＦに近接することになる。すなわち、上述の逆変換フィルタによって複数のデフォーカス位置における画像が逆変換処理された画像の周波数特性は、図１８（ｂ）に示すように、目標空間周波数特性２０１よりも大きい値であったり、小さい値であったりする。いずれにしても、上述の逆変換フィルタによって逆変換処理された画像の周波数特性は、図１８（ｂ）に示すように、目標空間周波数特性２０１に近接する。

このように、フィルタ処理部１４３は、式（１８）に示す周波数特性Ｒ（ω）に基づいて求められた逆変換フィルタによる逆変換処理によって、所定の位置範囲において、レンズユニット１１によってＰＳＦが付加された画像を復元することができる。したがって、所定の位置範囲においてスポットの形状が変わっても、同一の逆変換フィルタによって復元することができるので、より広い範囲にまで被写界深度を拡張することができる。

＜合焦領域の形成＞
図１９は、合焦面の各位置において被写界深度が拡張された場合に形成される合焦領域を説明する図である。図２０は、撮像素子上でピントの合う領域が拡大されることを説明する図である。図１９および２０を参照しながら、合焦面５０の各位置において被写界深度が拡張されることによって形成される合焦領域５１について説明する。

上述のように、フィルタ処理部１４３が、上述の式（１８）に示す周波数特性Ｒ（ω）に基づく逆変換フィルタによる逆変換処理を実行することによって、図１９（ａ）に示すように、合焦面５０の各位置において、矢印の方向（レンズユニット１１の光軸方向）に被写界深度が拡張する。したがって、逆変換処理をしない場合、被写体が合焦面５０上に位置しないと焦点が合った状態で撮像されないのに対して、上述の逆変換処理を実行することによって、焦点が合う領域がレンズユニット１１の光軸方向に拡張され、合焦領域５１が形成される。すなわち、被写体がこの合焦領域５１内に含まれていれば、被写体の全体に対して焦点が合った状態で撮像することが可能となる。例えば、図１９（ｂ）に示すように、様々な角度で配置された被写体４ｅ〜４ｇは、いずれも全体が合焦領域５１に含まれているので、全体に対して焦点が合った状態とすることができる。この場合、光源１７から照射される光線６０は、少なくとも合焦領域５１内に含まれるように照射すればよい。

また、例えば、上述の図８に示す合焦面５０上の被写体４ｃが配置された位置（合焦面５０の奥側）における合焦範囲を、撮像素子１２のセンサ面において考えると、フィルタ処理部１４３によって逆変換処理がされない場合、図２０（ａ）に示すように、合焦範囲は狭い。これに対して、フィルタ処理部１４３によって逆変化処理が実行される場合、図２０（ｂ）に示すように、撮像素子１２のセンサ面において合焦面５０の奥側の位置に対応する合焦範囲は広くなる。

上述の図１９についての説明においては、フィルタ処理部１４３が、上述の式（１８）に示す周波数特定Ｒ（ω）に基づく逆変換フィルタによる逆変換処理を、合焦面５０全体に対して、すなわち、撮像素子１２により撮像画像全体に対して実行する場合について説明した。ただし、図１２で上述したように、フィルタ処理部１４３は、撮像画像全体ではなく、判定部１４２により判定された撮像画像における照射エリアに対して、上述の逆変換フィルタによる逆変換処理を行えばよい。この場合においても、照射エリアに対応する合焦面５０の部分は、フィルタ処理部１４３の照射エリアに対する逆変換処理によって被写界深度が拡張され、合焦領域が形成されることになる。したがって、撮像画像の照射エリアに含まれる被写体（例えば、図１２に示すバーコード表示板１１０）のシンボルの部分が、被写界深度が拡張されて形成された合焦領域に含まれていれば、シンボルは焦点が合った状態とすることができる。よって、認識処理部１５は、照射エリアにおいて焦点が合ったシンボルに対して認識処理を実行することができるので、シンボルの認識の精度を向上させることができる。

＜認識処理部の動作＞
認識処理部１５は、撮像素子１２により撮像された撮像画像のうち、判定部１４２により判定された照射エリアであって、フィルタ処理部１４３により逆変換処理が実行されたエリアに含まれるシンボルの認識処理を実行する。具体的には、認識処理部１５は、シンボルの認識処理として、撮像画像の照射エリアに含まれるシンボルを認識し、認識したシンボルをデコードする。そして、認識処理部１５は、通信部１６を介して、デコードした情報を外部機器（例えば、図１に示すＰＣ２）に送信する。

上述のように、フィルタ処理部１４３の逆変換処理により解像度が向上した、すなわち焦点が合った照射エリアに含まれるシンボルに対して認識処理が実行されるので、シンボルの認識の精度を向上させることができる。

また、認識処理部１５は、撮像画像のうち照射エリアに対してシンボルの認識処理を実行すればよく、撮像画像全体に対して認識処理を実行する必要がない。したがって、認識処理部１５のシンボルの認識処理の負荷を低減することができるので、認識処理部１５によるシンボルの認識までの時間を短縮することができる。

＜撮像装置の動作の全体の流れ＞
図２１は、第１の実施の形態の撮像装置の動作の一例を示すフローチャートである。図２１を参照しながら、撮像装置１の全体的な動作の流れについて説明する。

＜＜ステップＳ１１＞＞
撮像素子１２は、レンズユニット１１に入射する被写体からの光を電気信号に変換することにより、被写体を撮像して撮像画像を生成して、画像処理部１４に撮像画像を出力する。このとき、撮像素子１２は、光源１７から光線６０が照射されポインタが形成された被写体を撮像する。画像処理部１４は、撮像素子１２により撮像された撮像画像を入力する。そして、ステップＳ１２へ進む。

＜＜ステップＳ１２＞＞
画像処理部１４の画像バッファ部１４１は、撮像素子１２から入力した撮像画像をバッファリングする。画像処理部１４の判定部１４２は、画像バッファ部１４１から出力された撮像画像を、所定の数のエリアに分割する。次に、判定部１４２は、光源１７からの光線６０が被写体に照射されたポインタを含むエリアである照射エリアを判定するために、分割した複数のエリアそれぞれの平均の輝度値を算出する。次に、判定部１４２は、算出した複数のエリアそれぞれの平均の輝度値が、所定の閾値以上であるか否かを判定する。そして、判定部１４２は、平均の輝度値が所定の閾値以上であるエリアを照射エリアと判定する。そして、ステップＳ１３へ進む。

＜＜ステップＳ１３＞＞
判定部１４２によって撮像画像における照射エリアが判定された場合（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）、ステップＳ１４へ進み、照射エリアが判定されなかった場合（ステップＳ１３：Ｎｏ）、動作を終了する。

＜＜ステップＳ１４＞＞
画像処理部１４のフィルタ処理部１４３は、撮像画像の照射エリアに対して、逆変換フィルタにより逆変換処理を実行する。画像処理部１４は、フィルタ処理部１４３により、照射エリアに対して逆変換処理が実行された画像を認識処理部１５に出力する。そして、ステップＳ１５へ進む。

＜＜ステップＳ１５＞＞
認識処理部１５は、画像処理部１４から入力した画像のうち、判定部１４２により判定された照射エリアであって、フィルタ処理部１４３により逆変換処理が実行されたエリアに含まれる被写体におけるシンボルの認識処理を実行する。そして、ステップＳ１６へ進む。

＜＜ステップＳ１６＞＞
認識処理部１５によって、画像処理部１４から入力した画像の照射エリアに対してシンボルの認識処理が実行されることにより、照射エリアにおいてシンボルが認識された場合、すなわち、シンボルの候補が発見された場合（ステップＳ１６：Ｙｅｓ）、ステップＳ１７へ進む。一方、照射エリアにおいてシンボルが認識されない場合、すなわち、シンボルの候補が発見されなかった場合（ステップＳ１６：Ｎｏ）、動作を終了する。

＜＜ステップＳ１７＞＞
認識処理部１５によって、認識したシンボルに対してデコード処理を実行した結果、デコードが正常に完了した場合（ステップＳ１７：Ｙｅｓ）、ステップＳ１８へ進み、デコードが正常に完了できなかった場合（ステップＳ１７：Ｎｏ）、動作を終了する。

＜＜ステップＳ１８＞＞
認識処理部１５は、照射エリアに対してシンボルの認識処理を実行することにより、照射エリアに含まれるシンボルを認識して、認識したシンボルをデコードした情報を外部機器（例えば、図１に示すＰＣ２）に送信（出力）する。

以上の流れによって、撮像装置１による被写体のシンボルの認識処理が実行される。なお、ステップＳ１１〜Ｓ１８の動作によって、シンボルの認識処理が正常に完了しなかった場合、正常に完了するまで所定回数繰り返すものとしてもよい。

また、図２１に示すステップＳ１６におけるシンボルが認識されない場合、およびステップＳ１７におけるシンボルに対するデコード処理が正常に完了できなかった場合に、シンボルの認識動作を終了するものとしている。しかし、例えば、被写体に表示されたシンボルに、光源１７から光線６０が照射され、シンボル上にポインタが形成された場合等においては、シンボルが正常に認識されなかったり、または、認識されたとしてもデコード処理が正常に完了できない可能性がある。したがって、ステップＳ１２およびＳ１３において、判定部１４２による照射エリアが判定された後、光源１７の光線６０の照射を停止して、再度、撮像素子１２が撮像動作を実行するものとしてもよい。この場合、判定部１４２により照射エリアは判定されているので、２回目の撮像素子１２の撮像による撮像画像において、照射エリアと同一のエリアに対して、フィルタ処理部１４３による逆変換処理、および認識処理部１５によるシンボルの認識処理が実行されるものとすればよい。これによって、高い確実性をもってシンボルの認識処理を正常に完了させることができる。

以上のように、本実施の形態に係る撮像装置１は、フィルタ処理部１４３が、撮像素子１２により撮像された撮像画像のうち、判定部１４２により判定された光源１７からの光線６０が被写体に照射されたポインタを含むエリアである照射エリアに対して逆変換処理をしている。そして、認識処理部１５は、フィルタ処理部１４３により逆変換処理が実行された照射エリアに対してシンボルの認識処理を実行するものとしている。これによって、撮像画像全体に対して、フィルタ処理部１４３による逆変換処理、および認識処理部１５によるシンボルの認識処理が実行されるよりも、フィルタ処理部１４３および認識処理部１５の処理の負荷を低減することができるので、シンボルを認識するまでの時間を短縮することができる。なお、フィルタ処理部１４３または認識処理部１５の少なくともいずれかが、照射エリアのみに処理を実行するものとしても、上述のシンボルを認識するまでの時間を短縮することができるという効果が得られる。

また、本実施の形態に係る撮像装置１は、シャインプルーフの原理に基づき、撮像素子１２のセンサ面をレンズユニット１１の主面に対して傾けて配置させ、合焦位置がレンズユニット１１の光軸方向に延伸した合焦面５０を形成させている。さらに、光源１７を、照射する光線６０の方向をレンズユニット１１の画角の中心軸方向からずらし、光線６０を合焦面５０上に位置するように照射するように配置するものとしている。これによって、レンズユニット１１の光軸方向の広い範囲において合焦した撮像画像を得ることができると共に、ユーザは、光源１７が照射する光線６０が示す位置に被写体が配置されるように、撮像装置１を移動させることによって、容易に被写体の距離に応じた適切な撮像位置とすることができ、被写体に焦点が合った撮像画像を得ることができる。なお、光源１７は、光線６０を厳密に合焦面５０上に位置するように照射することは、必ずしも必要ではなく、少なくとも、光線６０を、合焦面５０と少しずれた位置、かつ合焦面５０と平行となるように照射する等のように、合焦面５０の近傍に照射するようにしても、上述の効果を得ることはできる。

また、フィルタ処理部１４３が、上述の式（１８）に示す周波数特性Ｒ（ω）に基づく逆変換フィルタによる逆変換処理を実行することによって、レンズユニット１１の光軸方向に延伸した合焦面５０の各位置において、レンズユニット１１の光軸方向に被写界深度が拡張する。これによって、焦点が合う領域がレンズユニット１１の光軸方向に拡張され、合焦領域５１が形成される。そして、被写体が有するシンボルが合焦領域５１内に含まれていれば、所定の大きさを有するシンボルでも、シンボルの全体に対して焦点が合った状態とすることが可能となる。

なお、上述のように、シャインプルーフの原理を用いて、合焦位置がレンズユニット１１の光軸方向に延伸した合焦面５０を形成させ、レンズユニット１１が有する被写界深度の制限による狭い合焦範囲において撮像可能な小さな被写体におけるシンボルを扱う場合は、必ずしも、フィルタ処理部１４３の逆変換処理による被写界深度の拡張は必要がない。この場合においても、光源１７を備えた撮像装置１は、レンズユニット１１の光軸方向の広い範囲において合焦した撮像画像を得ることができると共に、ユーザは光源１７が照射する光線６０が示す位置に被写体におけるシンボルが配置されるように、撮像装置１を移動させることによって、容易に被写体の距離に応じた適切な撮像位置とすることができ、シンボルに焦点が合った画像を得ることができるという効果が得られる。

また、被写界深度拡張のために、上述の式（１８）に示す周波数特性Ｒ（ω）に基づく逆変換フィルタによる逆変換処理を例に挙げたが、被写界深度拡張の方法はこれに限定されるものではない。すなわち、異なる逆変換フィルタによる逆変換処理、または、異なるその他の処理によって被写界深度の拡張が実現されるものとしてもよい。

＜第１の実施の形態の変形例＞
本実施の形態の変形例に係る撮像装置について、上述の本実施の形態に係る撮像装置１と相違する点を中心に説明する。

図２２は、第１の実施の形態の変形例に係る撮像装置における光学系周辺の要部構成の一例を示す図である。図２２を参照しながら、本実施の形態の変形例に係る撮像装置の光学系周辺の要部構成について説明する。

本変形例に係る撮像装置は、第１の実施の形態に係る撮像装置１におけるレンズユニット１１を、多焦点レンズ１１ｃ（光学系の一例）に置換した構成を有する。このような多焦点レンズ１１ｃを用いることによって、図２２に示すように、第１の実施の形態における合焦面５０と同様に、合焦位置が光軸方向に延伸した合焦面５０ａを形成することができる。また、多焦点レンズ１１ｃを用いることによって、撮像素子１２ａ（撮像手段）は、センサ面が多焦点レンズ１１ｃの主面に対して傾けて配置する必要がなく、撮像素子１２ａのセンサ面と、多焦点レンズ１１ｃの主面とは平行の状態となっている。なお、平行の状態とは、厳密に平行である状態に限定するものではなく、略平行である状態を含むものとする。このような本変形例に係る撮像装置の構成を採用することによって、図２２に示す合焦面５０ａ上に存在する３つの被写体４ａ〜４ｃは、いずれも撮像素子１２ａ上で結像する。すなわち、合焦面５０ａは、多焦点レンズ１１ｃの光学特性、および多焦点レンズ１１ｃと撮像素子１２ａのセンサ面（結像面）との位置関係に基づいて、形成される。そして、光源１７は、照射する光線６０の方向を多焦点レンズ１１ｃの画角の中心軸方向からずらし、光線６０を合焦面５０ａ上に位置するように照射する。

以上のように、撮像装置の光学系として多焦点レンズ１１ｃを用いることにより、合焦位置が光軸方向に延伸した合焦面５０ａを形成することができると共に、撮像素子１２ａのセンサ面を多焦点レンズ１１ｃの主面に対して傾けて配置する必要のない構成とすることができる。したがって、撮像装置の全体のサイズをコンパクトにすることが可能となる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態においては、第１の実施の形態に係る撮像装置をシンボルリーダの一例としてのコードリーダに適用した場合について説明する。したがって、第２の実施の形態のコードリーダは、第１の実施の形態に係る撮像装置の構成および動作と同様である。

＜コードリーダの構成および動作＞
図２３は、第２の実施の形態のコードリーダの外観構成の一例を示す図である。図２４は、第２の実施の形態のコードリーダの合焦面の位置および動作を説明する図である。図２３および２４を参照しながら、本実施の形態に係る撮像装置としてのコードリーダ１＿１の構成および動作について説明する。図２３のうち、図２３（ａ）は、コードリーダ１＿１の側面図を示し、図２３（ｂ）は、コードリーダ１＿１の平面図を示す。

コードリーダ１＿１は、バーコードまたは二次元コード等を被写体として撮像および認識処理をするハンディタイプの装置である。図２３（ａ）に示すように、コードリーダ１＿１は、ヘッド３１と、取っ手３２と、を備えている。ヘッド３１は、図２３（ｂ）に示すように、被写体からの光を集光し、撮像素子１２（図示せず）に対して結像させるレンズユニット１１と、光線６０を照射する光源１７と、を備えている。取っ手３２は、ユーザが把持する部分であり、情報を所定の方式により暗号化したバーコードまたは二次元コード等（シンボルの一例）を有する被写体を撮像するトリガとなる操作ボタン（図示せず）を備えている。

撮像素子１２は、図示しないが、センサ面がレンズユニット１１の主面に対して傾けて配置されており、シャインプルーフの原理によって、合焦位置がレンズユニット１１の光軸方向に延伸した合焦面５０ｂ（図２４参照）が形成されている。光源１７は、図２４に示すように、照射する光線６０の方向をレンズユニット１１の画角の中心軸方向からずらし、光線６０を合焦面５０ｂ上に位置するように照射する。認識処理部１５（図示せず）は、撮像素子１２によって撮像されたバーコードまたは二次元コード等を含む撮像画像であって、画像処理部１４により照射エリアについて逆変換処理が実行された画像に基づいて、バーコードまたは二次元コード等の認識処理を実行する。

以上の構成によって、レンズユニット１１の光軸方向の広い範囲において合焦した撮像画像を得ることができると共に、ユーザは、光源１７が照射する光線６０が示す位置にバーコードまたは二次元コード等を含む被写体が配置されるように、コードリーダ１＿１を移動させることによって、容易に被写体の距離に応じた適切な撮像位置とすることができ、シンボルに焦点が合った画像を得ることができる。

また、図示しないフィルタ処理部１４３によって、撮像画像の照射エリアに対して逆変換フィルタによる逆変換処理を実行することによって、レンズユニット１１の光軸方向に延伸した合焦面５０ｂの照射エリアに対応する部分において、レンズユニット１１の光軸方向に被写界深度が拡張する。これによって、焦点が合う領域がレンズユニット１１の光軸方向に拡張され、合焦領域が形成される。そして、バーコードまたは二次元コード等のシンボルが合焦領域内に含まれていれば、所定の大きさを有するシンボルでも、シンボルの全体に対して焦点が合った状態にすることが可能となる。

なお、図２３に示すように、コードリーダ１＿１は、ハンディタイプの装置としているが、これに限定されるものではなく、固定式のコードリーダであってもよい。

１ 撮像装置
１＿１ コードリーダ
２ ＰＣ
３ 通信ケーブル
４、４ａ〜４ｇ 被写体
１１ レンズユニット
１１ａ 位相板
１１ｂ 絞り
１１ｃ 多焦点レンズ
１２、１２ａ 撮像素子
１４ 画像処理部
１５ 認識処理部
１６ 通信部
１７ 光源
２１ 通信部
２２ 操作部
２３ 表示部
２４ 記憶部
２５ 外部記憶装置
２６ 制御部
２７ バス
３１ ヘッド
３２ 取っ手
５０、５０ａ、５０ｂ 合焦面
５１ 合焦領域
６０ 光線
１００〜１０２ 撮像画像
１０２ａ〜１０２ｉ エリア
１０３ ポインタ
１０５ 画像
１０５ａ 照射エリア
１１０ バーコード表示板
１２１ 逆変換フィルタ
１３１、１３１ａ〜１３１ｆ 対象部分画像
１３５ａ〜１３５ｆ 中央データ
１４１ 画像バッファ部
１４２ 判定部
１４３ フィルタ処理部
２０１ 目標空間周波数特性
２０２、２０２ａ、２０２ｂ 空間周波数特性
２０３、２０３ａ、２０３ｂ 空間周波数特性
５００ 撮像システム
Ａ フレーム開始期間
Ｂ 水平ブランキング期間
Ｃ フレーム終了期間
Ｄ 垂直ブランキング期間
Ｔ 有効データ期間

特開２０１０−１５２８８１号公報

Claims (10)

1. 光を入射する光学系と、
   前記光学系を通過した前記光を画素に変換して画像を撮像する撮像手段と、
   光線を照射する光源と、
   前記画像から、前記光線が照射された被写体を含む照射エリアを判定する判定手段と、
   前記照射エリアにおいて、シンボルを認識する認識処理手段と、
   を備え、
   前記光学系および前記撮像手段は、合焦位置が前記光学系の光軸の方向に延伸した合焦面を形成するように配置され、
   前記光源は、前記合焦面上または該合焦面の近傍の位置に前記光線を照射する撮像装置。
2. 前記判定手段は、前記画像を複数のエリアに分割し、該複数のエリアの輝度値に基づいて、該複数のエリアから前記照射エリアを判定する請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記光学系は、入射した前記光に収差を与え、
   前記撮像手段により撮像された撮像画像に対して、前記合焦面における前記光軸の方向の所定範囲において前記収差を復元する逆変換フィルタにより逆変換処理を実行する逆変換手段を、さらに備えた請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記逆変換手段は、前記撮像画像における前記照射エリアに対して前記逆変換処理を実行する請求項３に記載の撮像装置。
5. 前記逆変換フィルタは、被写体の理想画像の画素の周波数特性と、前記逆変換手段により前記逆変換処理がなされた画像の画素の周波数特性との平均二乗誤差を最小にするフィルタである請求項３または４に記載の撮像装置。
6. 前記光学系は、
   位相板を有し、
   該位相板によって前記光に前記収差を与える請求項３〜５のいずれか一項に記載の撮像装置。
7. 前記合焦面は、前記撮像手段の検出面が前記光学系の主面に対して傾いて配置されたことにより形成された請求項１〜６のいずれか一項に記載の撮像装置。
8. 前記撮像手段は、前記検出面の長手方向が前記主面に対して傾いて配置された請求項７に記載の撮像装置。
9. 前記光学系は、多焦点レンズを含み、
   前記撮像手段の検出面は、前記光学系の前記主面に対して平行に配置された請求項１〜６のいずれか一項に記載の撮像装置。
10. 光学系および撮像手段が、合焦位置が前記光学系の光軸の方向に延伸した合焦面を形成するように配置された撮像装置の撮像方法であって、
    光を入射する光学処理ステップと、
    前記撮像手段により、前記光学系を通過した前記光を画素に変換して画像を撮像する撮像ステップと、
    光線を照射する照射ステップと、
    前記画像から、前記光線が照射された被写体を含む照射エリアを判定する判定ステップと、
    前記照射エリアにおいて、シンボルを認識する認識処理ステップと、
    を有する撮像方法。

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