JP7183429B2 - 撮像装置および方法 - Google Patents
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Description
図1~図33等を用いて、本発明の実施の形態1の撮像装置および撮像方法について説明する。実施の形態1の撮像方法は、実施の形態1の撮像装置で実行されるステップを有する方法である。実施の形態1の撮像装置は、実施の形態1の撮像方法を実装した撮像装置である。
以下では、主に無限遠物体の撮像原理等について説明する。
図1は、実施の形態1の撮像装置の構成例を示す。図1の撮像装置1は、結像させるレンズを用いることなく、外界の物体の画像を取得するレンズレスカメラである。撮像装置1は、撮像部102、フリンジスキャン処理部106、画像処理部107、およびコントローラ108を有する。撮像部102は、画像センサ103、マイクロレンズアレイ140、および変調器110を有する。変調器110は、パターン基板104および撮影用パターン105を有する。画像センサ103は、光を電気信号に変換し、センサ画像を生成するデバイスである。変調器110は、パターン基板104と撮影用パターン105とを合わせた部分であり、撮影用パターン105に基づいて、画像センサ103に入射され検出される光の強度を変調するデバイスである。
続いて、撮像装置1における撮影原理について説明する。まず、撮影用パターン105は、中心からの半径に対して反比例してピッチが細かくなる同心円状のパターンである。撮影用パターン105は、同心円の中心である基準座標からの半径r、係数βを用いて、下記の式1で定義する。撮影用パターン105は、式1のI(r)に比例して透過率変調されているものとする。
次に、画像処理部107における処理に関して、相関現像方式とモアレ現像方式による現像処理について説明する。相関現像方式による現像処理と、モアレ現像方式による現像処理とは、いずれを用いてもよい。また、両方の方式を実装し、必要に応じて方式を切り替えて使用できる形態としてもよい。
次に、モアレ現像方式の場合、画像処理部107は、図7の撮影用パターン105の投影像701と図8の現像用パターン801とを乗算することにより、図10のようなモアレ縞1000を生成する。そして、画像処理部107は、このモアレ縞1000をフーリエ変換することにより、図11の現像画像1101におけるシフト量kβ/πの輝点1102,1103を得る。輝点1102は-kβ/πの輝点、輝点1103は+kβ/πの輝点である。このモアレ縞を数式で示すと、下記の式8となる。
以下、フリンジスキャンに基づいたノイズキャンセル等について説明する。
上記式6から式7への変換、および式8から式9への変換において、信号成分に着目して説明したが、実際には信号成分以外の項が現像を阻害する。そこで、撮像装置1のフリンジスキャン処理部106は、フリンジスキャンに基づいたノイズキャンセルを行う。フリンジスキャンのためには、撮影用パターン105として、初期位相Φの異なる複数のパターンを使用する必要がある。
続いて、フリンジスキャン処理部106でのフリンジスキャン演算について説明する。図14は、フリンジスキャン処理部106のフリンジスキャン演算を含む処理概略を示すフロー図である。図14は、ステップS1~S7を有し、以下、ステップの順に説明する。まず、ステップS1で、フリンジスキャン処理部106は、画像センサ103から出力される複数のパターンによるセンサ画像を取得する。この際、フリンジスキャン処理部106は、空間分割フリンジスキャンを使用する場合には、そのセンサ画像を分割し、時分割フリンジスキャンを使用する場合には、このステップS1の分割を行わない。
次に、画像処理部107での画像処理について説明する。図15は、画像処理部107において相関現像方式を使用した場合の処理概略を示すフロー図である。図15はステップS21~S26を有する。まず、ステップS21で、画像処理部107は、フリンジスキャン処理部106から出力される複素センサ画像を取得し、その複素センサ画像に2次元高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)演算を実行する。
以下では、主に有限距離物体の撮像原理等について説明する。
次に、図17には、これまで述べた被写体が遠い場合(言い換えると無限遠物体の場合)における撮影用パターン105の画像センサ103への射影の様子を示す。遠方の物体を構成する点1701からの球面波は、十分に長い距離を伝搬する間に平面波となり、撮影用パターン105を照射する。その照射による投影像1702が画像センサ103に投影される場合、投影像は、撮影用パターン105とほぼ同じ形状を持つ。結果、投影像1702に対して、前述の現像用パターンを用いて現像処理を行うことにより、単一の輝点を得ることが可能である。
次に、図19等を用いて、画像センサ103の構成について説明する。
図19は、実施の形態1に関する比較例における、画像センサ103a(103)のx軸方向における中央部の画素1901や端部の画素1902における断面構造を示す。ここでは、一般的なCMOSやCCD等の撮像素子を用いて構成される画像センサを考える。この画像センサ103aにおける画素30は、配線やマスクの構造に基づいて、全面で光を受光できる訳ではなく、一部である受光部1903でのみ光を受光できる。受光部1903の幅1912は、画素30の幅1911よりも小さい。
そこで、実施の形態1の撮像装置1において、上記シェーディングおよびCRA特性の課題を改善する方式について説明する。実施の形態1は、画像劣化抑制と広い画角範囲との両立を目指す。図27の(A)は、図20の1個の画素30およびマイクロレンズ1904に関する上面図を示す。図27の(A)の場合、マイクロレンズ1904と受光部1903との相対位置のずれが無い。一方、図27の(B)は、マイクロレンズ1904と受光部1903との相対位置のずれが有る場合を示す。相対位置のずれを、ベクトルを用いて、ずれ(Δ)2701として示す。図27の(B)のように、相対位置のずれ2701が生じている場合、x軸方向のずれΔxとy軸方向のずれΔyとに分離して考える。
図34以降を用いて、実施の形態2の撮像装置および撮像方法について説明する。以下では、実施の形態2における実施の形態1とは異なる構成部分について説明する。
実施の形態1の撮像装置1の構成では、画像センサ103における受光部1903とマイクロレンズ140との相対位置が例えばランダムに変化するように配置した。この構成のために、ある角度から撮影した場合にセンサ画像の欠損がランダムに発生し、ランダムな欠損が現像画像の画質に影響を及ぼす可能性がある。そこで、実施の形態2では、その可能性も考慮して工夫した構成、ならびに処理方法等について説明する。
図34は、実施の形態2の撮像装置1における、画像センサ103の相対位置ずれの周期的な配置の構成例を示す。図34の(A)は、実施の形態2での画像センサ103の相対位置ずれ量の分布の特性を示し、図示のように周期的な分布の特性である。(A)の横軸が例えばx軸方向の各位置の画素30を示し、縦軸が受光部1903とマイクロレンズ140との相対位置のずれΔxを示す。ずれΔxは、-Δx1から+Δx1までの範囲内で、x軸方向の画素位置に応じて周期的に変化している。例えば、中央の位置L1では、ずれΔxが-Δx1であり、その位置L1から右側に所定の画素距離を置いた位置3402では、ずれΔxが+Δx1である。位置L1から位置3402までの範囲3401では、ずれΔxが-Δx1から+Δx1まで直線で増加している。また、位置3402から同じ画素距離を置いた右側の範囲3403では、範囲3401と同様にずれΔxが直線で増加している。図34の(B)は、(A)の特性を微分したグラフであり、相対位置ずれ量の変化量として隣接画素30間での差分値をとったグラフである。(B)のように、実施の形態2では、相対位置ずれ量の差分値について、正の一定値の部分と、正から負または負から正へと大きく変化する複数の箇所とを持つ。実施の形態1の図31の特性や、実施の形態2の図34の特性は、比較例の図28のような単調増加または単調減少の特性とは異なり、相対位置ずれ量の差分値が正から負または負から正へと変化する箇所を持つ。撮像装置1は、図34のような特性を既知であり、画像処理部107の処理等に利用する。
図36は、ユニットにおける相対位置ずれに関する処理分割方法の例を示す。図36の(A)のグラフは、横軸がx軸方向での1個のユニットにおける画素30の位置、縦軸は相対位置のずれΔxである。1個のユニットにおける中央をM1、右側の端をM2、左側の端をM3で示す。実施の形態2の撮像装置1は、センサ画像(対応する画像センサ103)の全領域の複数のユニットについて、ある相対位置ずれ量の間隔3601毎に、複数の範囲、例えば範囲A1~A5のように分割する。本例では、ずれ量の最小値(-Δx1)から最大値(+Δx1)までの範囲内で、5つの範囲(A1~A5)に分割している。この分割数を多くするほど、画像品質が改善することになる。間隔3601および分割数は設定値であり、変更可能である。同様に、図36の(B)のように、ユニットにおけるy軸方向の相対位置ずれΔyに対しても、間隔3602毎に、複数の範囲、例えば範囲B1~B5のように分割する。画像処理部107は、センサ画像について、このような分割を行う。
そこで、実施の形態2の変形例として、以下の構成としてもよい。変形例では、実施の形態1と同様に画像センサ103における相対位置ずれをランダムな配置にするものの、そのランダムな配置を既知の設計とする。すなわち、撮像装置1は、画素30毎にどのような相対位置ずれを持つかが既知である。そして、変形例では、図39のように、ユニット毎に、相対位置ずれ量に応じて、分割による範囲を割り当てる。図39は、変形例での相対位置ずれに関する処理分割方法を示す。例えば、x軸方向での相対位置のずれΔxに関して、ずれ量の大きさに応じた範囲A1~A5が割り当てられる。画像処理部107は、実施の形態2と同様に、範囲に応じた分割センサ画像を生成し、分割センサ画像毎に処理を行う。
図40は、各実施の形態の補足として、前述の相関現像方式での相互相関演算の構成例を示す。画像処理部107は、画像センサ103からフリンジスキャン処理部106を介して入力されるセンサ画像401に、FFT402を行い、FFT後画像403を得る。一方、画像処理部107は、予め生成した現像用パターン411(例えば前述の現像用パターン801)に、FFT412を行い、FFT後現像用パターン413を得る。画像処理部107は、FFT後画像403に、FFT後現像用パターン413を畳込演算404することで、畳込後画像405を得る。画像処理部107は、畳込後画像405に逆FFT406を行うことで、復元画像407を得る。なお、画像処理部107は、撮像毎にFFT等の処理をリアルタイムで実行してもよいが、予めFFT等の処理済みのデータ(例えばFFT後現像用パターン413)を生成してメモリに保存しておき、撮像の際にそのデータを読み出して上記演算を行うようにしてもよい。これにより高速化が可能である。
Claims (12)
- 撮影用パターンに基づいて、入射される光の強度を変調する変調器と、
前記変調後の光を電気信号に変換し、センサ画像を生成する画像センサと、
前記画像センサの複数の画素に対し配置されている複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイと、
を備え、
前記画像センサの面内において、前記複数の画素の各画素の受光部の中心位置と、前記マイクロレンズアレイの前記複数のマイクロレンズの各マイクロレンズの中心位置との相対位置のずれ量に関する分布の特性を有し、
前記特性は、隣接する前記各画素間での前記ずれ量の差分値が、正から負または負から正へ変化する箇所を少なくとも1つ以上持つ特性である、
撮像装置。 - 請求項1記載の撮像装置において、
前記特性は、前記面内の位置に応じて前記ずれ量がランダムである特性である、
撮像装置。 - 請求項1記載の撮像装置において、
前記特性は、前記面内の位置に応じて前記ずれ量が周期的に変化する特性である、
撮像装置。 - 請求項1記載の撮像装置において、
前記センサ画像に対する現像用パターンの演算に基づいて像を復元する画像処理部を備える、
撮像装置。 - 請求項1記載の撮像装置において、
前記画像センサおよび前記変調器を制御し、前記センサ画像からノイズをキャンセルするフリンジスキャン処理部を備える、
撮像装置。 - 請求項4記載の撮像装置において、
前記画像処理部は、前記ずれ量の範囲全体を複数の範囲に分割し、前記センサ画像の画素値を、前記複数の範囲に応じて分類し、分類した画素値の画像毎に、対応する現像用パターンとの演算に基づいて現像処理を行い、現像処理後の複数の像を1つの像に合成する、
撮像装置。 - 請求項1記載の撮像装置において、
前記画像センサは、前記面内における前記複数の画素のピッチよりも、前記複数のマイクロレンズのピッチの方が大きい、
撮像装置。 - 撮影用パターンに基づいて、入射される光の強度を変調する変調器と、
前記変調後の光を電気信号に変換し、センサ画像を生成する画像センサと、
前記画像センサの複数の画素に対し配置されている複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイと、
前記マイクロレンズアレイの入射側に配置されている、前記変調後の光を散乱させる散乱体と、
を備える、撮像装置。 - 撮像装置における撮像方法であって、
前記撮像装置は、
撮影用パターンに基づいて、入射される光の強度を変調する変調器と、
前記変調後の光を電気信号に変換し、センサ画像を生成する画像センサと、
前記画像センサの複数の画素に対し配置されている複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイと、
を備え、
前記画像センサの面内において、前記複数の画素の各画素の受光部の中心位置と、前記マイクロレンズアレイの前記複数のマイクロレンズの各マイクロレンズの中心位置との相対位置のずれ量に関する分布の特性を有し、
前記特性は、隣接する前記各画素間での前記ずれ量の差分値が、正から負または負から正へ変化する箇所を少なくとも1つ以上持つ特性であり、
前記撮像方法は、
前記変調器によって前記光の強度を変調するステップと、
前記変調器および前記マイクロレンズアレイを経由した前記変調後の光に基づいて前記画像センサによって前記センサ画像を生成するステップと、
を有する、撮像方法。 - 請求項9記載の撮像方法において、
前記センサ画像に対する現像用パターンの演算に基づいて像を復元するステップを有する、
撮像方法。 - 請求項9記載の撮像方法において、
前記画像センサおよび前記変調器を制御し、前記センサ画像からノイズをキャンセルするステップを有する、
撮像方法。 - 請求項10記載の撮像方法において、
前記像を復元するステップは、前記ずれ量の範囲全体を複数の範囲に分割し、前記センサ画像の画素値を、前記複数の範囲に応じて分類し、分類した画素値の画像毎に、対応する現像用パターンとの演算に基づいて現像処理を行い、現像処理後の複数の像を1つの像に合成するステップを含む、
撮像方法。
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