JP2015216544A

JP2015216544A - 撮像装置および撮像方法

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Publication number: JP2015216544A
Application number: JP2014099007A
Authority: JP
Inventors: 亮介笠原; Ryosuke Kasahara; 太郎澤木; Taro Sawaki; 佐藤　裕之; Hiroyuki Sato; 裕之佐藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2014-05-12
Filing date: 2014-05-12
Publication date: 2015-12-03

Abstract

【課題】被写体としてのシンボルの読み取り精度を向上させ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】撮像素子１２のセンサ面は、レンズユニットの主面に対して傾いて設置され、補正部１４２は、撮像素子１２によって撮像される際に発生するシェーディングに対し、撮像画像を構成するそれぞれの画素の画素値に対応する補正値を保持している補正値テーブルを用いて、撮像素子１２により撮像された撮像画像に対してシェーディングを解消または低減するシェーディング補正を実行する。【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（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）センサまたはＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）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（ＯｐｔｉｃａｌＣｈａｒａｃｔｅｒＲｅａｄｅｒ）等）、携帯電話機、携帯情報端末（ＰＤＡ：ＰｅｒｓｏｎａｌＤｉｇｉｔａｌＡｓｓｉｓｔａｎｔ）および産業用カメラ等が挙げられる。

このような、撮像素子を備えた撮像装置として、被写体の焦点深度によるぼけを回避する目的で、撮像素子のセンサ面を光学系の主面に対してチルトさせ（傾かせ）ることによりシャインプルーフの原理で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、光学系に収差を与えて被写界深度を拡張す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、シャインプルーフの原理を利用した光学系および撮像素子を用いることで、高速に被写体（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、撮像素子のセンサ面を光学系の主面に対して傾けることより発生したシェーディングにより、被写体としての認識したいバーコード等のシンボルの読み取り精度が低いという問題点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、被写体としてのシンボルの読み取り精度を向上させ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、検出面が前記光学系の主面に対して傾いて配置され、該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、前記撮像手段により撮像された撮像画像に発生するシェーディングに対してシェーディング補正を実行する補正手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、被写体としてのシンボルの読み取り精度を向上させることができる。

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が形成されること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、シェーディングの発生を説明する図である。図１３は、シェーディング補正をするための補正値テーブルの一例を示す図である。図１４は、シェーディング補正の補正値を求める補正式のグラフの一例を示す図である。図１５は、逆変換フィルタの構成の一例を示す図である。図１６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１７は、画像において逆変換フィルタの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１８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１９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２０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２１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２２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２３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２４は、撮像素子に平行光が入射される場合の集光効率を説明する図である。図２５は、撮像素子がチルトしていない場合の光線の向きとマイクロレンズの配置との関係を説明する図である。図２６は、撮像素子への入射角度、およびマイクロレンズの配置に基づく最適入射角度を説明する図である。図２７は、第３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２８は、第３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、ＰＣ（ＰｅｒｓｏｎａｌＣｏｍｐｕｔｅｒ）２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、受信した画像からバーコードの情報を読み出して解析する。

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（ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＬｏｇｉｃＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）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（ＮｅｔｗｏｒｋＩｎｔｅｒｆａｃｅＣａｒｄ）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（ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌＰｒｏｔｏｃｏｌ）／ＩＰ（ＩｎｔｅｒｎｅｔＰｒｏｔｏｃｏｌ）またはＵＤＰ（ＵｓｅｒＤａｔａｇｒａｍＰｒｏｔｏｃｏｌ）／ＩＰ等によって実現される。

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画像等を表示する装置である。表示部２３は、例えば、ＣＲＴ（ＣａｔｈｏｄｅＲａｙＴｕｂｅ）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（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）およびＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）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（ＨａｒｄＤｉｓｋＤｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＤｒｉｖｅ）、ＣＤ（ＣｏｍｐａｃｔＤｉｓｃ）ドライブ、またはＤＶＤ（ＤｉｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｃ）ドライブ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（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）およびＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）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：ＰｏｉｎｔＳｐｒｅａｄＦｕｎｃｔｉｏｎ）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（フォトダイオード）（検出素子）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（逆変換処理）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等によって実現される。

光源１７は、後述するように、発光した光線が、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（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）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−ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）等のハードウェア回路によって実現されてもよい。また、画像処理部１４または認識処理部１５の少なくともいずれかがプログラムの実行によって実現される場合、そのプログラムは、撮像装置１が備えるＲＯＭ等に予め組み込まれて提供される。本実施の形態の撮像装置１で実行されるプログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録して提供するように構成してもよい。また、本実施の形態の撮像装置１で実行されるプログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよい。また、本実施の形態の撮像装置１で実行されるプログラムを、インターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成してもよい。本実施の形態の撮像装置１で実行されるプログラムは、上述した画像処理部１４または認識処理部１５の少なくともいずれかを含むモジュール構成となっており、実際のハードウェアとしてはＣＰＵが上述のＲＯＭからプログラムを読み出して実行することにより、上述の各部が主記憶装置上にロードされて生成されるようになっている。

＜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、４ｃは、撮像素子１２で結像しない。

そのため、一般的には、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のセンサ面の延長面と、レンズユニット１１の主面の延長面とが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）の延長面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、撮像画像上で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出てくる。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上の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のセンサ面の延長面と、レンズユニット１１の主面の延長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、被写体について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、予め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のセンサ面の延長面と、レンズユニット１１の主面の延長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。

また、図８に示すように、光源１７はビーム状の光線６０を照射するように示されているが、これに限定されるものではなく、例えば、放射状に広がりを有する光線であってもよい。

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：ＥｘｔｅｎｄｅｄＤｅｐｔｈｏｆＦｉｅｌｄ）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機能を有する。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１２で撮像する画像がぼけた状態にする代わりに広い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（ＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＴｒａｎｓｆｅｒＦｕｎｃｔｉｏｎ）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（ＶｉｄｅｏＧｒａｐｈｉｃｓＡｒｒａｙ）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、例えば、Ｘ方向に６４０個、Ｙ方向に４８０個の検出素子によって、図１０に示すように、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、補正部１４２（補正手段）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。

補正部１４２は、撮像素子１２によって撮像される際に発生するシェーディングに対し、撮像素子１２により撮像された撮像画像に対してシェーディングを解消または低減するシェーディング補正を実行する処理部である。

フィルタ処理部１４３は、補正部１４２から出力されるシェーディング補正が実行された画像に対して、フィルタ回路によって、所定のフィルタ処理（逆変換処理）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１５〜１７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撮像画像の画素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。

上述の動作を図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。

＜＜補正部１４２の動作＞＞
図１２は、シェーディングの発生を説明する図である。図１３は、シェーディング補正をするための補正値テーブルの一例を示す図である。図１２および１３を参照しながら、画像処理部１４の補正部１４２のシェーディング補正の動作について説明する。

撮像素子１２のセンサ面には、通常、光の集光効率を高めるためのマイクロレンズ（図示せず）が設置されている。撮像素子１２にマイクロレンズが設置されることによって、光の検出単位であるフォトダイオードへの集光効率を向上させ、フォトダイオードの感度を向上させることができる。しかし、マイクロレンズによりフォトダイオードに対して光を取り込める角度には限度があるため、撮像素子１２のセンサ面に入射する光りの入射角が大きくなるほど、フォトダイオードの感度が低下して、シェーディングが発生する。

上述したように、本実施の形態の撮像装置１においては、撮像素子１２のセンサ面が、レンズユニット１１の主面に対して傾いて設置されている。このため、図１２に示すように、撮像素子１２に入射する被写体からの光のうち、撮像素子１２のセンサ面の図１２の紙面視上側の部分に入射する光（例えば、被写体４ａからの光）の入射角は、センサ面の図１２の紙面視下側の部分に入射する光（例えば、被写体４ｃからの光）の入射角よりも大きい。したがって、撮像素子１２のセンサ面の図１２の紙面視下側の部分で検出した画素よりも、紙面視上側の部分で検出した画素に大きなシェーディングが発生することになる。認識処理部１５は、例えば、バーコードを認識する場合、所定の閾値で二値化を行うため、撮像素子１２により撮像された撮像画像に大きなシェーディングがある場合には、１つのバーコードの中でも白レベルと黒レベルとが逆になることがあり、バーコードに対して正しく白黒の判定ができない場合がある。したがって、本実施形態のように、撮像素子１２のセンサ面がレンズユニット１１の主面に対して傾いて設置された場合、撮像素子１２によって撮像された撮像画像に対して、シェーディングを解消または低減するシェーディング補正を実行する必要がある。そこで、補正部１４２は、撮像素子１２により撮像された撮像画像に対して、シェーディング補正を実行する。

具体的には、補正部１４２は、例えば、図１３に示す補正値テーブル３００（対応情報の一例）を予め備えているものとする。補正値テーブル３００は、撮像画像を構成するそれぞれの画素の画素値に対応する補正値を保持しているテーブルである。この補正値テーブル３００が保持している補正値は、撮像素子１２のセンサ面に設置されたマイクロレンズの光学特性、および撮像素子１２のセンサ面のレンズユニット１１の主面に対する傾き角度等に基づいて求められた値である。図１３に示す補正値テーブル３００は、図１３の紙面視上方の補正値が、撮像素子１２のセンサ面における図１２の紙面視上側の部分、すなわち、シェーディングの大きい部分の検出単位（フォトダイオード）に対応しており、図１３の紙面視下方の補正値よりも大きな値となっている。補正部１４２は、撮像画像を構成する画素の画素値（第１画素値）それぞれと、各画素値に対応する補正値テーブル３００の補正値とを乗算して、補正された画素値（第２画素値）として新たに算出し、元の画素値を補正された画素値に置き換えるシェーディング補正を実行する。すなわち、補正部１４２は、撮像画像に対してシェーディング補正することによって、補正された画素値を有する画素によって構成された補正された画像（以下、補正画像という）を生成する。

なお、図１３に示す補正値テーブル３００の構成は一例を示すものであり、補正値テーブル３００の補正値も一例を示すものであり、図１３に示すものに限定されるものではない。例えば、補正値テーブル３００の構成は、撮像画像の画素単位で補正値を有する構成でなくてもよく、撮像画像の所定の画素群ごとに補正値が割り当てられているものとしてもよい。また、補正値テーブル３００のようにテーブル形式で構成されている必要もなく、撮像画像を構成する各画素の画素値に補正値が対応された形式のデータであればよい。

また、補正部１４２によって補正値テーブル３００が保持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、補正部１４２ではない別の記憶部（図示せず）が補正値テーブル３００を記憶しており、補正部１４２は、その記憶部から補正値テーブル３００を参照するものとしてもよい。

また、補正部１４２は、撮像画像の画素値を補正値テーブル３００の補正値を用いてシェーディング補正する動作を説明したが、これに限定されるものではない。補正部１４２は、例えば、撮像画像の画素の位置から補正値を換算する補正式に基づいて、補正値を算出し、この補正値を用いてシェーディング補正を実行するものとしてもよい。図１４は、補正式の例を示すグラフであり、横軸が撮像素子１２のセンサ面での受光位置Ｙを示し、縦軸が補正値Ｒを示す。ここで、横軸の撮像素子１２のセンサ面での受光位置として、Ｘ方向（例えば図１０に示すＸ方向に対応）は、センサ面を傾けることと関連が小さいので、Ｙ方向のみを考えるものとする。図１４に示す補正値グラフ４０１は、下記の式（１）に示す一次式の補正式の例をグラフにしたものである。

Ｒ＝ａ×Ｙ・・・式（１）

式（２）の値ａは、光学系であるレンズユニット１１、撮像素子１２のセンサ面の傾き角度、およびマイクロレンズの配置等に基づいて決定される定数である。

また、図１４に示す補正値グラフ４０２は、下記の式（２）に示す二次式の補正式の例をグラフにしたものである。

Ｒ＝ａ１×ｙ^２＋ｂ１・・・式（２）

式（２）の値ａ１、ｂ１は、光学系であるレンズユニット１１、撮像素子１２のセンサ面の傾き角度、およびマイクロレンズの配置等に基づいて決定される定数である。補正部１４２は、補正値グラフ４０１、４０２等に示す補正式に基づいて、撮像画像の画素値それぞれに対応する補正値を算出し、その補正値を用いて撮像画像に対してシェーディング補正を実行するものとしてもよい。

なお、図１４では、補正値を算出するための補正式として、一次式および二次式の補正式の例を示したが、これに限定されるものではない。すなわち、光学系であるレンズユニット１１、撮像素子１２のセンサ面の傾き角度、およびマイクロレンズの配置等に関連するシェーディングを補正するために十分でない場合は、三次以上の高次の多項式で表される補正式を用いるものとしてもよい。

＜＜フィルタ処理部１４３の動作＞＞
図１５は、逆変換フィルタの構成の一例を示す図である。図１６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１７は、画像において逆変換フィルタの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１５〜１７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１５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１６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１６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１６の式（３）で表される演算値と同一である。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演算の演算値は、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１７を参照しながら、画像１０５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。図１７（ａ）は、フィルタ処理部１４３が、画像１０５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１７（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１６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１６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１７（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、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１７（ｃ）に示すように、Ｘ方向の水平ラインの最後の画素である（６４０，１）の画素に対して逆変換処理をする。（６４０，１）の画素は、図１７（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、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１７（ｄ）〜１７（ｆ）は、フィルタ処理部１４３が、画像１０５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１７（ｄ）は、フィルタ処理部１４３が、画像１０５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１７（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１７（ｅ）は、フィルタ処理部１４３が、画像１０５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１７（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１７（ｆ）に示すように、Ｘ方向の水平ラインの最後の画素である（６４０，４）の画素に対して逆変換処理をする。（６４０，４）の画素は、図１７（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復元し、画像の解像度を向上させることができる。

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１７（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１６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象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１６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１２１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１３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。合焦面５０上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、２次元の線形フィルタかつＦＩＲ（ＦｉｎｉｔｅＩｍｐｕｌｓｅＲｅｓｐｏｎｓｅ）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（４）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（５）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（５）は、周波数領域における平均二乗誤差として以下の式（６）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（７）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（７）において、ＩＭＡＧＥ_{ｉｄｅａｌ}（ω）＝Ｓ（ω）、およびＩＭＡＧＥ_{ｃａｐｔｕｒｅｄ}（ω）＝Ｘ（ω）とし、式（７）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（８）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（７）の最小値を求めるため式（８）の最右辺を０とすると下記の式（９）が得られる。

式（９）から下記の式（１０）が得られる。

この式（１０）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（５）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（１１）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（１０）の右辺の分子に、式（１１）を代入すると、下記の式（１２）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（１０）の右辺の分母に、式（１１）を代入すると、下記の式（１３）が得られる。

上述の式（１０）、（１２）および（１３）から、下記の式（１４）に示す周波数特性Ｒ（ω）が得られる。

この式（１４）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（５）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（１４）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（１５）が得られる。

上記の式（１５）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（１５）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（１５）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（７）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（５）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。したがって、式（１４）に示す周波数特性Ｒ（ω）に基づいて、例えば、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、合焦面５０上のフォーカス位置について、式（１４）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、合焦面５０上のフォーカス位置において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。

なお、上述のような式（１４）に示す周波数特性Ｒ（ω）に基づいた逆変換フィルタ１２１による逆変換処理によって被写界深度を拡張することに限定されるものではなく、被写界深度を拡張するその他のフィルタが用いられてもよい。

図１８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１８を参照しながら、式（１４）に示す周波数特性Ｒを具体的に演算す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。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を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（１４）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１９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２０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および２０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１９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１９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１９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１９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１９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２０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（１４）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２０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２０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（１４）は、合焦面５０上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（１４）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。

このように、フィルタ処理部１４３は、式（１４）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、フォーカス位置を含む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。しがたって、合焦面５０上のフォーカス位置において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２１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２２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および２２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（１４）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２１（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の画像を得ることが可能となる。例えば、図２１（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で撮像されることができる。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２２（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によって逆変換処理が実行される場合、図２２（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の奥側に対応する合焦範囲は広くなる。

＜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に対して、フィルタ処理部１４３により逆変換処理が実行された画像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、逆変換処理後の画像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被写体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。

＜撮像装置の動作の全体の流れ＞
図２３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２３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＞＞
レンズユニット１１は、被写体からの光を集光し、撮像素子１２に対して結像させる。この際、レンズユニット１１の位相板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。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を付加し、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深度でそのぼけが一定となるようにする。そして、ステップＳ１２へ進む。

＜＜ステップＳ１２＞＞
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を撮像して撮像画像を生成する。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。そして、ステップＳ１３へ進む。

＜＜ステップＳ１３＞＞
画像処理部１４の補正部１４２は、画像バッファ部１４１によりバッファリングされた撮像画像に対して、シェーディングを解消または低減するシェーディング補正を実行する。そして、ステップＳ１４へ進む。

＜＜ステップＳ１４＞＞
画像処理部１４のフィルタ処理部１４３は、補正部１４２によりシェーディング補正が実行された補正画像に対して、上述の式（１４）に示す周波数特性Ｒ（ω）に基づく逆変換フィルタ１２１により逆変換処理を実行する。そして、ステップＳ１５へ進む。

＜＜ステップＳ１５＞＞
認識処理部１５は、フィルタ処理部１４３により逆変換処理が実行された画像に対して、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から入力した画像に対してシンボルの認識処理が実行されることにより、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、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、画像処理部１４から入力した画像に対してシンボルの認識処理を実行することにより、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による撮像動作、シェーディング補正、逆変換処理および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。

以上のように、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。そして、補正部１４２は、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発生するシェーディングに対して、撮像画像の画素の画素値それぞれに対して対応する補正値を用いて、補正された画素値を算出してシェーディング補正を実行する。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合焦面５０に配置された被写体としてのシンボルの読み取り精度を向上させることができる。

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、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（１４）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。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、被写体が有するシンボルが拡張した被写界深度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、本実施の形態に係る撮像装置１は、光源１７を備えるものとし、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、容易に被写体の焦点が合った撮像画像を得ることができるものとしている。しかし、例えば、撮像装置１が生産ライン等において固定して使用される場合、被写体（例えば、生産ラインを流れるワークに貼付された二次元コード等）が、通常、合焦面５０または合焦領域５１を必ず通過するように撮像装置１は固定される。この場合は、必ずしも光源１７は必要がなく、被写体が合焦面５０上または合焦領域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できるという効果は得られる。

また、シンボルを含む被写体が合焦面５０上に配置させることができれば、認識処理部１５によるシンボルの認識処理は可能であるので、必ずしも、フィルタ処理部１４３による被写界深度拡張が必要なわけではない。

また、被写界深度拡張のために、上述の式（１４）に示す周波数特性Ｒ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２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る撮像装置について、第１の実施の形態に係る撮像装置と相違する点を中心に説明する。第１の実施の形態においては、撮像素子１２のセンサ面が、レンズユニット１１の主面に対して傾いて設置されることにより発生するシェーディングに対して、補正部１４２が、撮像画像に対してシェーディング補正を実行することにより、シェーディングを解消または低減する動作について説明した。本実施の形態においては、補正部１４２によるシェーディング補正と、撮像素子のセンサ面に設置されるマイクロレンズの配置との関係を中心に説明する。本実施の形態において、撮像システムの全体構成、撮像装置の構成、レンズユニット１１周辺の要部構成、ならびに、画像処理部の構成および動作については、第１の実施の形態における構成と同様である。ただし、後述するように、本実施の形態において、第１の実施の形態の撮像素子１２に相当するものを、撮像素子１２ａと称して説明する。

＜撮像素子のマイクロレンズについて＞
図２４は、撮像素子に平行光が入射される場合の集光効率を説明する図である。図２５は、撮像素子がチルトしていない場合の光線の向きとマイクロレンズの配置との関係を説明する図である。図２６は、撮像素子への入射角度、およびマイクロレンズの配置に基づく最適入射角度を説明する図である。図２４〜２６を参照しながら、本実施の形態に係る撮像装置の撮像素子１２ａに備えられたマイクロレンズ７４の配置について説明する。

図２４（ａ）は、撮像素子１２ａに備えられたマイクロレンズ７４を模式的に示す図である。図２４（ｂ）は、図２４（ａ）の点線箇所を拡大表示した図である。図２４（ｂ）に示すように、撮像素子１２ａはセンサ面に光の検出単位であるフォトダイオード７１がＸ方向およびＹ方向にマトリックス状に配列されている。マイクロレンズ７４は、撮像素子１２ａの光の検出単位であるフォトダイオード７１に対して、入射する光を効率的に集光させるレンズである。フォトダイオード７１へ向かう光は、フォトダイオード７１とマイクロレンズ７４との間に配置された遮光膜７２に開口された開口部７３を通ってフォトダイオード７１に達する。

図２４（ａ）に示すように、撮像素子１２ａのセンサ面に対して垂直に平行光線が入射する場合、図２４（ｂ）に示すように、主光線８１は、マイクロレンズ７４を透過し、開口部７３を通って、フォトダイオード７１に達する。また、主光線８１の周辺の光線である周辺光線８２は、マイクロレンズ７４の集光効果によって、マイクロレンズ７４において屈折し、主光線８１と同様に開口部７３を通って、フォトダイオード７１に達する。すなわち、図２４（ｂ）に示すように、マイクロレンズ７４が、その光軸が開口部７３の中心を通るように配置されている場合であって、かつ、図２４（ａ）に示すように、撮像素子１２ａのセンサ面に対して垂直に平行光線が入射する場合、平行光線はマイクロレンズ７４によって効率的に集光されてフォトダイオード７１によって検出される。このように、マイクロレンズ７４が、その光軸が開口部７３の中心を通るように配置されている場合の、センサ面の受光位置（Ｙ方向）と、センサ面への最適入射角との関係を、図２６のグラフ４５１に示す。図２６のグラフ４５１に示すように、マイクロレンズ７４が、その光軸が開口部７３の中心を通るように配置されている場合、センサ面に対して垂直に入射する場合の入射角、すなわち、入射角が０°の場合が、最も集光効率の高い最適な入射角となる。

上述の図２４（ａ）および２４（ｂ）おいては、光線が撮像素子１２ａのセンサ面に対して垂直に入射する場合について説明したが、図２４（ｃ）に示すように、光線がセンサ面に対して斜めに入射する場合を説明する。図２４（ｃ）に示すように、マイクロレンズ７４に入射する光線のうち、主光線８１ａは、図２４（ｂ）の場合と同様に、マイクロレンズ７４を透過し、開口部７３を通って、フォトダイオード７１に達する。一方、主光線８１ａの周辺の光線である周辺光線８２ａは、マイクロレンズ７４の集光効果によって、マイクロレンズ７４において屈折して進行方向が変化するが、図２４（ｃ）に示すように、一部は、遮光膜７２によって遮光されていわゆるケラレが発生する。この場合、マイクロレンズ７４に入射した光線のうち一部が、ケラレによってフォトダイオード７１に到達しないため、フォトダイオード７１が検出する光量は、図２４（ｂ）の場合と比較して少なくなる。これが、シェーディングが発生する要因の一つである。

次に、図２５（ａ）を参照しながら、撮像素子のセンサ面が、レンズユニット１１の主面に平行に配置された場合において、センサ面に配置されたマイクロレンズの配置をずらすことによってケラレを抑制する内容について説明する。

図２５（ａ）は、撮像素子１２ｂが、センサ面がレンズユニット１１の主面と平行に配置された場合を示している。この場合、図２５（ａ）および（ｂ）に示すように、レンズユニット１１の中心を通る主光線のうち、撮像素子１２ｂのセンサ面の図２５（ｂ）の紙面視上方の部分に入射する主光線（以下、上側光線という）は、センサ面に対して右上方に向かって入射する。また、センサ面の図２５（ｂ）の紙面視下方の部分に入射する主光線（以下、下側光線という）は、センサ面に対して右下方に向かって入射する。そして、センサ面の図２５（ｂ）の紙面視中央の部分に入射する主光線（以下、中央光線という）は、センサ面に対して垂直に入射する。ここで、例えば、図２４（ｂ）に示すように、各マイクロレンズが、その光軸が対向する開口部７３の中心を通るように配置されている場合、中央光線については、ケラレは生じないが、上側光線および下側光線については、上述したようにケラレが生じることになる。

このようなケラレの発生を低減するために、撮像素子１２ｂに入射する光線が図２５（ａ）および（ｂ）に示す方向に入射する場合、通常は、各マイクロレンズ７４に入射する主光線の方向に基づいて、マイクロレンズ７４を、その光軸が対向する開口部７３の中心からずれるように配置する。例えば、図２５（ｂ）の点線箇所を拡大表示した図２５（ｃ）に示すように、撮像素子１２ｂにおいて図２５（ｂ）の紙面視上方に位置するマイクロレンズ７４ａの光軸が、対向する開口部７３の中心よりも、撮像素子１２ｂの中心側にずれるようにマイクロレンズ７４ａを配置するようにする。図示しないが、図２５（ｂ）の紙面視下方に位置するマイクロレンズ７４ａについても同様である。すなわち、撮像素子１２ｂの周囲側に位置するマイクロレンズ７４ａほど、光軸が対向する開口部７３の中心よりも、撮像素子１２ｂの中心側にずれるように配置する。これによって、図２５（ｃ）に示すように、マイクロレンズ７４ａに入射する主光線８１ｂ、および主光線８１ｂの周辺の光線である周辺光線８２ｂは、マイクロレンズ７４ａを透過し、開口部７３を通って、フォトダイオード７１に達する。したがって、各マイクロレンズ７４ａに入射した光線は、ケラレの発生が抑制された状態で、それぞれ対向するフォトダイオード７１に入射するため、集光効率が向上し、シェーディングの発生が抑制される。

このように、図２５で上述したように、撮像素子１２ｂの周囲側に位置するマイクロレンズ７４ａほど、光軸が対向する開口部７３の中心よりも、撮像素子１２ｂの中心側にずれるように配置した場合の、センサ面の受光位置と、センサ面への最適入射角との関係を示したグラフが、図２６に示すグラフ４５２である。

しかし、本実施の形態に係る撮像装置の撮像素子１２は、図８および１２に示すように、センサ面が、レンズユニット１１の主面に対して傾いて設置されている。この場合において、レンズユニット１１の中心を通る主光線が、撮像素子１２のセンサ面に入射する場合の、センサ面の受光位置と、センサ面への入射角との関係を示したグラフが、図２６に示すグラフ４５３である。ただし、図２６に示すように、グラフ４５３は、マイクロレンズ７４が、その光軸が開口部７３の中心を通るように配置されている場合の最適入射角を示すグラフ４５１とずれており、シェーディングが発生する可能性がある。さらに、グラフ４５３は、撮像素子１２ｂの周囲側に位置するマイクロレンズ７４ａほど、光軸が対向する開口部７３の中心よりも撮像素子１２ｂの中心側にずれるように配置した場合の最適入射角を示すグラフ４５２ともずれており、シェーディングが発生する可能性がある。このように、グラフ４５３が示す撮像素子１２のセンサ面への入射角が、グラフ４５１またはグラフ４５２が示すマイクロレンズへの最適入射角からのずれが大きいほどシェーディングが大きくなる。

ここで、グラフ４５１に係るマイクロレンズ７４に着目する。グラフ４５１に係るマイクロレンズ７４は、その光軸が開口部７３の中心を通るように配置されている。ここで、上述の図１２を参照し、レンズユニット１１から遠い被写体（例えば、被写体４ｃ）からの光は、レンズユニット１１を通って、撮像素子１２へ向かう光量が少なくなるため、シェーディングは抑制する必要がある。一方、レンズユニット１１から近い被写体（例えば、被写体４ａ）からの光は、レンズユニット１１を通って、撮像素子１２へ向かう光量が大きいので、ある程度のシェーディングが発生しても許容できる。ここで、図２６を参照し、撮像素子１２において合焦面５０上の、レンズユニット１１から遠い被写体４ｃからの光の入射角を示す、グラフ４５３での図２６の紙面視左側の部分は、グラフ４５２からの距離よりも、グラフ４５１からの距離の方が小さい。一方、撮像素子１２において合焦面５０上の、レンズユニット１１から近い被写体４ａからの光の入射角を示す、グラフ４５３での図２６の紙面視右側の部分は、グラフ４５２からの距離よりも、グラフ４５１の距離の方が大きいが、上述のように、ある程度のシェーディングが発生しても許容できる部分である。以上のことから、本実施の形態に係る撮像装置１の撮像素子１２は、光軸が開口部７３の中心を通るように配置されたグラフ４５１に係るマイクロレンズ７４を備えるものとする。

以上のように、本実施の形態に係る撮像装置１は、撮像素子１２が、光軸が開口部７３の中心を通るように配置されたマイクロレンズ７４を備え、かつ、補正部１４２によるシェーディング補正の機能を具備する。これによって、シェーディングが発生するとしても、その影響を低減するマイクロレンズ７４の配置とすることができ、かつ、補正部１４２によるシェーディング補正が実行される。ゆえに、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合焦面５０に配置された被写体としてのシンボルの読み取り精度を向上させることができる。また、撮像素子１２は、従来から存在する光軸が開口部７３の中心を通るように配置されたマイクロレンズ７４を備えればよいので、コストの削減を図ることができる。

なお、撮像素子１２が備えるマイクロレンズ７４は、その光軸が開口部７３の中心を通るように撮像素子１２のセンサ面に配置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、撮像素子１２は、図２６のグラフ４５３で示される撮像素子１２への入射角と一致するような最適入射角を有するように配置されたマイクロレンズを備えるものとしてもよい。これによって、グラフ４５３は、マイクロレンズの最適入射角を示すグラフとのずれがなくなりシェーディングの発生自体を抑制することができるので、被写体としてのシンボルの読み取り精度をさらに向上させることができる。ただし、上述の「入射角と一致する」とは、完全な一致を意味するものではなく、所定のずれを含んだほぼ一致する状態を含む概念である。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態においては、第１の実施の形態または第２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３の実施の形態のコードリーダは、第１の実施の形態または第２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２７は、第３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２８は、第３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２７および２８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２７のうち、図２７（ａ）は、コードリーダ１＿１の側面図を示し、図２７（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２７（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２７（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２８参照）が形成されている。光源１７は、図２８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によりシェーディング補正および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、第１の実施の形態に係る撮像装置１と同様の効果を有し、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コードリーダ１＿１を得ることができる。

なお、図２７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
２ＰＣ
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
１２、１２ａ、１２ｂ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、５０ｂ合焦面
５１合焦領域
６０光線
７１フォトダイオード
７２遮光膜
７３開口部
７４、７４ａマイクロレンズ
８１、８１ａ、８１ｂ主光線
８２、８２ａ、８２ｂ周辺光線
１００、１０１撮像画像
１０５画像
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補正部
１４３フィルタ処理部
２０１目標空間周波数特性
２０２、２０２ａ空間周波数特性
２０３、２０３ａ空間周波数特性
３００補正値テーブル
４０１、４０２補正値グラフ
４５１〜４５３グラフ
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２０１１−１３３５９３号公報

Claims

光を入射する光学系と、
検出面が前記光学系の主面に対して傾いて配置され、該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、
前記撮像手段により撮像された撮像画像に発生するシェーディングに対してシェーディング補正を実行する補正手段と、
を備えた撮像装置。
前記補正手段により前記シェーディング補正が実行された補正画像に基づいて、シンボルを認識する認識処理手段をさらに備えた請求項１に記載の撮像装置。
前記補正手段は、前記撮像画像を構成する画素の第１画素値に対応する補正値を保持する対応情報を用いて、前記第１画素値と前記補正値とから第２画素値を算出して、該撮像画像の該第１画素値を該第２画素値に置き換えることにより前記シェーディング補正を実行する請求項１または２に記載の撮像装置。
前記補正手段は、前記撮像画像の画素の位置から補正値を換算する補正式を用いて、前記位置から前記補正値を求め、該位置の前記画素の第１画素値と、該補正値とから第２画素値を算出して、該撮像画像の該第１画素値を該第２画素値に置き換えることにより前記シェーディング補正を実行する請求項１または２に記載の撮像装置。
前記撮像手段は、検出素子ごとに該検出素子に光を集光するマイクロレンズを有し、
前記マイクロレンズは、前記検出面に垂直に主光線が入射した場合に、前記検出素子への集光効率が最適となるように配置された請求項１〜４のいずれか一項に記載の撮像装置。
前記撮像手段は、検出素子ごとに該検出素子に光を集光するマイクロレンズを有し、
前記マイクロレンズは、前記検出面に入射する主光線の入射角と、前記検出素子への集光効率が最適となる最適入射角とが一致するように配置された請求項１〜４のいずれか一項に記載の撮像装置。
前記光学系および前記撮像手段は、合焦位置が該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、
前記合焦面上または該合焦面の近傍の位置となるように光線を照射する光源をさらに備えた請求項１〜６のいずれか一項に記載の撮像装置。
前記光源は、前記光線が被写体に照射された場合に該被写体に形成される該光線のポインタの形状が正規の形状となるように、該光線の断面形状を歪ませた状態で該光線を照射する請求項７に記載の撮像装置。
前記光学系は、入射した前記光に収差を与え、
前記補正手段により前記シェーディング補正が実行された画像に対して、前記光学系の光軸上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して被写界深度を拡張する逆変換手段をさらに備えた請求項１〜８のいずれか一項に記載の撮像装置。
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出力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９に記載の撮像装置。
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１〜１０のいずれか一項に記載の撮像装置。
光学系により光を入射する光学ステップと、
検出面が前記光学系の主面に対して傾いて配置された撮像手段により、該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、
撮像した撮像画像に発生するシェーディングに対してシェーディング補正を実行する補正ステップと、
を有する撮像方法。