JPWO2016006440A1 - フィルタ制御装置およびフィルタ制御方法、ならびに撮像装置 - Google Patents

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Abstract

本開示のフィルタ制御装置は、撮像装置に搭載された光学ローパスフィルタのローパス特性を制御するフィルタ制御部を備え、前記フィルタ制御部が、撮影範囲の変化に応じて前記光学ローパスフィルタのローパス特性を変化させる。

Description

本開示は、静止画または動画を撮影する撮像装置(カメラ)に好適なフィルタ制御装置およびフィルタ制御方法、ならびに撮像装置に関する。
デジタルカメラには通常、撮像時のサンプリングに起因するエイリアシングで発生する偽信号を防ぐため、光学ローパスフィルタ(OLPF)が搭載されている(特許文献1,2参照)。
特開2013−156379号公報 特開2013−190603号公報
通常の光学ローパスフィルタは、設計時に決めた1種類のローパス特性を持たせることしかできず、撮像素子の画素ピッチに対応する周波数付近でMTFをゼロにするように設計される。しかしながら、手ぶれやユーザのパンニング操作等によって、露光中に被写体とカメラとの相対位置または角度が変化した場合、その変化に応じた像ぶれ(移動)が発生し、記録される像のMTF特性が変化する。この像ぶれによるMTF変化は、光学ローパスフィルタと同様に、高い周波数のMTFを低下させるローパス特性を示すため、像ぶれが発生した場合、光学ローパスフィルタによるローパス効果と像ぶれによるローパス効果とが二重に作用し、必要以上にローパス効果がかかってしまう場合がある。このような場合、画像のシャープネス(鮮鋭性)が必要以上に低下するため画質の低下を招いていた。
また、光学ローパスフィルタの光路への挿入/非挿入をメカ的に切り替える技術が知られているが、この方法では、ローパス効果あり/なしの2状態のみが可能で、条件によって連続的なMTF変化が生じる像ぶれには十分な対応が困難であった。また、動画撮影では、連続的に記録が行われるため、撮影中に像ぶれが変化しても光学ローパスフィルタの切り替えを行うことができず対応が困難であった。
一方、ローパス効果を連続的に変化させることが可能な可変光学ローパスフィルタの技術も知られている。これを用いて、静止画撮影時と、動画およびライブビュー表示時とのように、画素ピッチが異なるケースでローパス効果を変化させ、それぞれでローパス特性を最適化する技術が知られていたが、上記、像ぶれにより生じるMTF変化に対しては、なんら対応が行われていない。このため、像ぶれが発生しローパス効果が二重に作用した場合、必要以上のMTF低下による画質劣化が生じていた。
従って、高画質の画像を得ることができるようにしたフィルタ制御装置およびフィルタ制御方法、ならびに撮像装置を提供することが望ましい。
本開示の一実施の形態に係るフィルタ制御装置は、撮影範囲の変化に応じて、撮像装置に搭載される光学ローパスフィルタのローパス特性を変化させる制御を行うフィルタ制御部を備えたものである。
本開示の一実施の形態に係るフィルタ制御方法は、撮影範囲の変化に応じて、撮像装置に搭載される光学ローパスフィルタのローパス特性を変化させる制御を行うものである。
本開示の一実施の形態に係る撮像装置は、光学ローパスフィルタと、撮影範囲の変化に応じて、前記光学ローパスフィルタのローパス特性を変化させる制御を行うフィルタ制御部とを備えたものである。
本開示の一実施の形態に係るフィルタ制御装置、フィルタ制御方法または撮像装置では、撮影範囲の変化が生じた場合に、撮影範囲の変化に応じて光学ローパスフィルタのローパス特性を変化させる。
本開示の一実施の形態に係るフィルタ制御装置、フィルタ制御方法または撮像装置によれば、撮影範囲の変化に応じて光学ローパスフィルタのローパス特性を変化させるようにしたので、高画質の画像を得ることができる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
本開示の一実施の形態に係るフィルタ制御装置を含むカメラ(撮像装置)の一構成例を示すブロック図である。 Rawデータを処理する外部装置の一構成例を示すブロック図である。 可変光学ローパスフィルタの一構成例を示す断面図である。 図3に示した可変光学ローパスフィルタにおけるローパス効果が0%の状態の一例を示す説明図である。 図3に示した可変光学ローパスフィルタにおけるローパス効果が100%の状態の一例を示す説明図である。 図3に示した可変光学ローパスフィルタにおけるローパス効果が50%の状態の一例を示す説明図である。 図3に示した可変光学ローパスフィルタの印加電圧によるMTF特性の変化の一例を示す特性図である。 図3に示した可変光学ローパスフィルタに撮像レンズを組み合わせた場合における、印加電圧によるMTF特性の変化の一例を示す特性図である。 通常の光学ローパスフィルタのMTF特性の一例を示す特性図である。 カメラ全体の制御の流れの一例を示す流れ図である。 静止画撮影処理時の制御の流れの一例を示す流れ図である。 像ぶれ(移動)の推定の一例と、それに対応した点像拡がり関数(PSF)の一例を示す説明図である。 像ぶれによるMTF特性の一例を示す特性図である。 視覚系のMTF特性と可変光学ローパスフィルタのMTF特性との一例を示した特性図である。 視覚系のMTF特性と、4μmの像移動が生じた場合のMTF特性との一例を示した特性図である。 視覚系のMTF特性と、4μmの像移動に応じて可変光学ローパスフィルタのローパス効果を変化させた場合のMTF特性との一例を示した特性図である。 ズーミングによる像の移動の一例を示す説明図である。 ズーミングによる像の移動の他の例を示す説明図である。 動画撮影処理時の制御の流れの一例を示す流れ図である。 可変光学ローパスフィルタの他の構成例を示す断面図である。
以下、本開示の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
<1.構成>
[1.1 カメラ(撮像装置)の構成例](図1)
[1.2 Rawデータを処理する外部装置の構成例](図2)
[1.3 可変光学ローパスフィルタの構成および原理](図3〜図6)
[1.4 可変光学ローパスフィルタのMTF特性](図7〜図9)
<2.動作>
[2.1 カメラ全体の制御動作](図10)
[2.2 静止画撮影処理](図11、図12〜図18)
[2.3 動画撮影処理](図19)
<3.効果>
<4.その他の実施の形態>
<1.構成>
[1.1 カメラ(撮像装置)の構成例]
図1は、本開示の一実施の形態に係るフィルタ制御装置を含むカメラ(撮像装置)100の一構成例を示している。このカメラ100は、撮像光学系1と、レンズ制御部4と、可変光学ローパスフィルタ制御部(OLPF制御部)5と、撮像素子6と、画像処理部7とを備えている。このカメラ100はまた、表示パネル11と、記録メディア12と、制御マイコン(マイクロコンピュータ)13と、垂直移動速度・ピッチ回転角速度検出部15と、水平移動速度・ヨー回転角速度検出部16と、操作部20とを備えている。
撮像光学系1は、撮像レンズ1Aと、可変光学ローパスフィルタ(可変OLPF)30とを有している。撮像レンズ1Aは、光学的な被写体像を撮像素子6上に形成するものである。撮像レンズ1Aは、複数のレンズを有し、少なくとも1つのレンズを移動させることにより、光学的なフォーカス調節やズーム調節が可能となっている。可変光学ローパスフィルタ30は、あらかじめ撮像光学系1に組み込まれて搭載されてもよいし、交換可能なフィルタとしてユーザにより搭載されてもよい。レンズ制御部4は、光学的なズーム倍率、およびフォーカスの調節等のために撮像レンズ1Aの少なくとも1つのレンズを駆動するものである。撮像素子6は、撮像レンズ1Aおよび可変光学ローパスフィルタ30を介して受光面に結像された被写体像を光電変換により電気信号に変換して画像データを生成するものである。撮像素子6は、例えばCCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサにより構成されている。
画像処理部7は、撮像素子6から読み出された画像データに対して、ホワイトバランス、デモザイク、階調変換、色変換、およびノイズリダクションなどの画像処理を行うものである。
画像処理部7はまた、画像データを表示パネル11に表示するのに適した表示データに変換したり、画像データを記録メディア12への記録に適したデータに変換する等の処理を行うようになっている。
画像処理部7はまた、画像処理によって、撮影された画像の倍率を変更(拡大もしくは縮小)する電子ズーム処理を行ってもよい。画像処理部7は、画像の縮小を行う場合、画素の間引き処理を行う。画像処理部7は、画像の拡大を行う場合、画素の補間処理を行う。
表示パネル11は、例えば液晶パネルにより構成され、ライブビュー画像を表示する表示部としての機能を有している。その他、表示パネル11には、装置の設定メニューやユーザの操作状態を表示してもよい。また、撮影条件等の各種の撮影データを表示してもよい。
記録メディア12は、撮影された画像データが記録されるものである。画像処理部7は、通常、記録メディア12に記録する画像データとしてJPEG等の圧縮された画像データを記録する。その他、いわゆるRawデータを記録メディア12に記録してもよい。
操作部20は、メインスイッチ(メインSW)と、シャッタボタン21と、ピント調整操作部23と、ズーム操作部24とを有している。操作部20はまた、シャッタボタン21の押下量に応じてオン(On)されるスイッチSW1およびスイッチSW2を有している。
ズーム操作部24は手動(マニュアル)によるズーミングを可能にするものである。ピント調整操作部23は手動(マニュアル)によるピント調整を可能にするものであり、例えば、撮像レンズ1Aのレンズ鏡胴に設けられたピント調整リングであってもよい。
可変光学ローパスフィルタ30は、第1の可変光学ローパスフィルタ2と、第2の可変光学ローパスフィルタ3とを有している。後述するように、可変光学ローパスフィルタ30が、特定の一次元方向のローパス特性を制御するタイプのものである場合、2組の可変光学ローパスフィルタ30(第1の可変光学ローパスフィルタ2および第2の可変光学ローパスフィルタ3)を用いることにより、水平方向と垂直方向との双方に対するローパス特性を制御することができる。
制御マイコン13は、各回路ブロックの統括制御を行うものである。OLPF制御部5は、操作部20または制御マイコン13からの指示に従って、可変光学ローパスフィルタ30のローパス特性を制御するものである。
垂直移動速度・ピッチ回転角速度検出部15は、例えば加速度センサおよび角速度センサを有し、手ぶれやパンニング操作があった場合のカメラ100の垂直方向の移動速度および角速度を検出するものである。水平移動速度・ヨー回転角速度検出部16は、例えば加速度センサおよび角速度センサを有し、手ぶれやパンニング操作があった場合のカメラ100の水平方向の移動速度および角速度を検出するものである。制御マイコン13は、垂直移動速度・ピッチ回転角速度検出部15および水平移動速度・ヨー回転角速度検出部16の検出結果に基づいて、手ぶれやパンニング操作があった場合の像面上(撮像素子6上)での像の移動量を計算してもよい。
制御マイコン13およびOLPF制御部5は、後述するように、撮影範囲の変化が生じた場合に、撮影範囲の変化に応じて可変光学ローパスフィルタ30のローパス特性を変化させる制御を行う。制御マイコン13およびOLPF制御部5は例えば、撮影範囲に変化がある場合に、可変光学ローパスフィルタ30のローパス特性を撮影範囲に変化がない場合よりも弱くする制御を行ってもよい。撮影範囲の変化は例えば、被写体とカメラ100との相対的な位置および角度の少なくとも一方の変化により生ずる像面上での像の移動であってもよい。また、撮影範囲の変化は例えば、ズーミングによる像面上での像倍率の変化であってもよい。また、撮影範囲の変化は例えば、カメラ100における手ぶれ、またはパンニング操作による像面上での像の移動であってもよい。
制御マイコン13およびOLPF制御部5は例えば、撮影範囲の変化量に基づいてMTF特性の変化量を予測し、MTF特性の変化を補償するように可変光学ローパスフィルタ30のローパス特性を変化させてもよい。または、制御マイコン13およびOLPF制御部5は例えば、撮影範囲の変化量に基づいてシャープネスの変化量を予測し、シャープネスの変化量を補償するように可変光学ローパスフィルタ30のローパス特性を変化させてもよい。撮影範囲の変化による変化量は、被写体とカメラ100との相対的な位置および角度の変化量と、撮像レンズ1Aの焦点距離、撮像レンズ1Aのフォーカス繰り出し量、および露光時間とに基づいて求められるものであってもよい。
[1.2 Rawデータを処理する外部装置の構成例]
図2は、Rawデータを処理する外部装置103の一構成例を示している。図1には、カメラ100内において画像データに対して各種の画像処理を施す構成を示したが、図2に示したように、カメラ100が、Rawデータ記録部109を備え、Rawデータ101と共に、撮影時のローパス特性を示すデータをメタデータ102として記録し、外部装置103において画像処理を行ってもよい。外部装置103における画像処理の機能は、例えばPC(パーソナルコンピュータ)上のアプリケーションで実現される。なお、カメラ100において、Rawデータの記録時には、画像処理部7で行われる処理は適用されない(信号が素通りする)。
外部装置103は、画像処理部104を備えている。画像処理部104は、基本的に、図1のカメラ100内の画像処理部7と同等の処理機能を持つ。外部装置103で処理された画像データは、出力ファイル108として記録される。
従来、Rawデータ101に種々のメタデータを埋め込む手段は公知であるが、可変光学ローパスフィルタ30のローパス特性を示すデータに関しては記録されていない。本実施の形態によれば、ローパス特性を示すデータをメタデータとして記録することができる。
[1.3 可変光学ローパスフィルタの構成および原理]
図3〜図6をさらに参照しつつ、より具体的に可変光学ローパスフィルタ30の構成および原理を説明する。
(可変光学ローパスフィルタ30の構成例)
図3は、可変光学ローパスフィルタ30の一構成例を示している。可変光学ローパスフィルタ30は、第1の複屈折板31および第2の複屈折板32と、液晶層33と、第1の電極34および第2の電極35とを有している。液晶層33が、第1の電極34および第2の電極35によって挟まれ、その外側をさらに第1の複屈折板31および第2の複屈折板32で挟んだ構成となっている。第1の電極34および第2の電極35は、液晶層33に電界を印加するためのものである。なお、可変光学ローパスフィルタ30はさらに、例えば、液晶層33の配向を規制する配向膜をさらに備えていてもよい。第1の電極34および第2の電極35はそれぞれ、1枚の透明なシート状電極からなる。なお、第1の電極34および第2の電極35の少なくとも一方が、複数の部分電極で構成されていてもよい。
第1の複屈折板31は、可変光学ローパスフィルタ30の光入射側に配置されており、例えば、第1の複屈折板31の外側の表面が光入射面となっている。入射光L1は、被写体側から光入射面に入射する光である。第2の複屈折板32は、可変光学ローパスフィルタ30の光出射側に配置されており、例えば、第2の複屈折板32の外側の表面が光出射面となっている。可変光学ローパスフィルタ30の透過光L2は、光出射面から外部に出射された光である。
第1の複屈折板31および第2の複屈折板32はそれぞれ、複屈折性を有しており、1軸性結晶の構造を有している。第1の複屈折板31および第2の複屈折板32はそれぞれ、複屈折性を利用して円偏光の光をps分離する機能を有している。第1の複屈折板31および第2の複屈折板32はそれぞれ、例えば、水晶、方解石またはニオブ酸リチウムによって構成されている。
液晶層33は例えば、TN(Twisted Nematic)液晶で構成されている。TN液晶は、通過する光の偏光方向をネマティック液晶の回転に沿って回転させる旋光性を有している。
図3の基本構成で、特定の一次元方向のローパス特性がコントロールできるため、本実施の形態では図3の可変光学ローパスフィルタ30を第1の可変光学ローパスフィルタ2と第2の可変光学ローパスフィルタ3との2組搭載し、水平方向と垂直方向に対するローパス特性を制御する。
(可変光学ローパスフィルタ30の原理)
図4〜図6を参照して、可変光学ローパスフィルタ30の原理を説明する。図4は、図3に示した可変光学ローパスフィルタにおけるローパス効果が0%の状態の一例を示している。図5はローパス効果が100%の状態の一例を示している。図6はローパス効果が50%の状態の一例を示している。なお、図4〜図6では、第1の複屈折板31の光学軸と第2の複屈折板32の光学軸とが互いに平行である場合を例にしている。また、図4〜図6に示す電圧値は一例であり、図示した電圧値に限られるものではない。以降の他の図において示す電圧値等の数値についても同様である。
可変光学ローパスフィルタ30では、光の偏光状態をコントロールし、連続的にローパス特性を変化させることが可能となっている。可変光学ローパスフィルタ30では、液晶層33に印加する電界(第1の電極34および第2の電極35間への印加電圧)を変えることでローパス特性を制御できる。例えば図4に示したように、印加電圧が0Vの状態でローパス効果がゼロ(素通しと同じ)、図5に示したように、5Vを印加した状態でローパス効果が最大(100%)となる。また、図6に示したように、3Vを印加した状態でローパス効果が中間状態(50%)となる。ローパス効果が最大となるときの特性は、第1の複屈折板31および第2の複屈折板32の特性によって決まる。
図4〜図6の各状態において、第1の複屈折板31で入射光L1がs偏光成分とp偏光成分とに分離する。
図4に示した状態では、液晶層33での旋光が90°となることにより、液晶層33においてs偏光成分がp偏光成分に変換され、p偏光成分がs偏光成分に変換される。その後、第2の複屈折板32でp偏光成分とs偏光成分とが合成され、透過光L2となる。図4に示した状態では、最終的なs偏光成分とp偏光成分との分離幅dはゼロであり、ローパス効果はゼロとなる。
図5に示した状態では、液晶層33での旋光が0°となることにより、液晶層33をs偏光成分がs偏光成分のまま透過し、p偏光成分がp偏光成分のまま透過する。その後、第2の複屈折板32でp偏光成分とs偏光成分との分離幅がさらに拡大される。図5に示した状態では、最終的な透過光L2において、s偏光成分とp偏光成分との分離幅dが最大となり、ローパス効果は最大(100%)となる。
図6に示した状態では、液晶層33での旋光が45°となることにより、液晶層33をs偏光成分がs偏光成分とp偏光成分とを含む状態で透過し、その後、第2の複屈折板32でs偏光成分とp偏光成分とに分離する。p偏光成分も同様に、液晶層33をs偏光成分とp偏光成分とを含む状態で透過し、その後、第2の複屈折板32でs偏光成分とp偏光成分とに分離する。最終的な透過光L2には、分離幅dで分離されたs偏光成分およびp偏光成分と、p偏光成分およびs偏光成分とが合成された成分とが含まれた状態となり、ローパス効果が中間状態(50%)となる。
[1.4 可変光学ローパスフィルタのMTF特性]
図7に、可変光学ローパスフィルタ30に印加する電圧を変化させた場合のMTF特性の変化の一例を示す。図7において、横軸は空間周波数(c/mm(cycle/mm))、縦軸はMTF値を示す。以降の他のMTF特性を示す図についても同様である。
図8は、図3に示した可変光学ローパスフィルタ30に撮像レンズ1Aを組み合わせた場合における、印加電圧によるMTF特性の変化の一例を示している。0Vでは、ローパス効果なしの素通し状態なので、撮像レンズ1AのMTF特性そのものとなる。
図9は、通常の光学ローパスフィルタのMTF特性の一例を示している。この場合は、設計時に決めた特定のローパス特性のみを与えることになる。
<2.動作>
[2.1 カメラ全体の制御動作])
図10にカメラ全体の制御の流れの一例を示す。制御マイコン13は自身で、または他の回路ブロックを制御することにより、カメラ全体の制御処理として、図10に示したステップS1〜ステップS13の処理を行う。
カメラ100の起動後、制御マイコン13は、ステップS1でメインスイッチ(メインSW)の状態を判定し、Onの場合ステップS2に進み、Offの場合は、そのままスイッチの状態判定を繰り返す。ステップS2では、必要な初期化を行う。
ステップS3では、制御マイコン13は、ライブビュー画像を表示するための制御を行う。まず、制御マイコン13は、撮像素子6からライブビュー画像データを読み出し、読み出した画像データに基づいて露出演算(AE)とホワイトバランス演算(AWB)とを行う。制御マイコン13は、露出演算の結果から、レンズ制御部4に設定する絞り値と撮像素子6に設定するシャッタ速度とを求め、露出を適正にコントロールする(この結果が反映されるのは、次の読み出し画像からになる)。ホワイトバランス演算で求めたホワイトバランスゲインは、次の画像処理段階で適用される。読み出した画像データに対し、画像処理部7で適切な処理を行った後、画像データを表示パネル11に出力することでライブビュー画像が表示される。この画像処理には、ホワイトバランス、デモザイク、階調変換、色変換、およびノイズリダクションなどの処理を含むが、いずれもデジタルカメラとして一般的なものであり、ここでは説明を省略する。
ステップS4では、制御マイコン13は、再びメインSWの状態を判定し、Onのままの場合は次のステップS5に進み、Offの場合は、ステップS13へ進み、カメラ100を待機状態にするための終了処理を行った後、ステップS1に戻る。
ステップS5では、制御マイコン13は、シャッタボタン21を半押しした状態でOnとなるスイッチSW1の状態を検出し、スイッチSW1がOnの場合は、ステップS6の撮影準備動作に移る。スイッチSW1がOnでない場合は、ステップS3に戻り、ライブビュー処理(1)を繰り返す。
ステップS6では、制御マイコン13は、撮影のために必要な準備処理を行う。本実施の形態では、ここでの主要な処理であるオートフォーカスによるピント合わせの処理のみ説明する。制御マイコン13からレンズ制御部4に所定の指示を与え、撮像レンズ1Aのフォーカス位置を連続的に変化させつつ画像の読み出しを繰り返す。制御マイコン13は、読み出した画像データから被写体のコントラスト評価値を算出し、評価値が最大となる位置を求め、そこに撮像レンズ1Aのフォーカス位置を固定する。デジタルカメラで一般的なコントラストAF(オートフォーカス)方式である。
ステップS7では、制御マイコン13は、再度ライブビュー画像を表示するためステップS3と同様の処理を行う。スイッチSW1がOnになった状態では露出を固定するようにするため、ここでは露出演算は行わない点がステップS3との相違点である。
ステップS8では、制御マイコン13は、シャッタボタン21が押されたことを検出するスイッチSW2がOnかOffかを判定する。制御マイコン13は、Onだった場合は、ステップS9以下の撮影動作に移る。制御マイコン13は、スイッチSW2がOffだった場合は、ステップS11でスイッチSW1がOffになったかどうかを判定し、Offになった場合は、ステップS3に戻りライブビュー処理(1)以降を繰り返す。制御マイコン13は、スイッチSW1がOnのままだった場合は、ステップS7に戻りライブビュー処理(2)以降の動作を繰り返す。
ステップS9では、制御マイコン13は、カメラ100の記録モードを判定する。制御マイコン13は、記録モードが静止画モードだった場合はステップS10の静止画撮影処理に、動画モードだった場合はステップS12の動画撮影処理に分岐する。ステップS10の静止画撮影処理とステップS12の動画撮影処理については、後に詳述する。制御マイコン13は、両処理の終了後は、ステップS3に戻って一連の動作を繰り返す。
[2.2 静止画撮影処理]
図11に静止画撮影処理の流れの一例を示す。制御マイコン13は自身で、または他の回路ブロックを制御することにより、静止画撮影処理として、図11に示したステップS100〜ステップS105の処理を行う。
図11において、制御マイコン13は、最初に、ステップ100でカメラ100の移動や回転により露光中に生じる像移動量を推定する。以下にその処理を説明する。
制御マイコン13は、まず、垂直移動速度・ピッチ回転角速度検出部15と水平移動速度・ヨー回転角速度検出部16から、垂直方向および水平方向の移動速度と角速度とを取得する。加速度センサおよび角速度センサから、移動速度および角速度を検出する方法の詳細は、手ぶれ補正等の技術で公知であり、ここでは説明を省略する。
続いて、制御マイコン13は、水平方向の像移動量を推定する。カメラ100の位置が、手ぶれやパンニング操作によって水平方向に速度VHで変化しているとき、露光時間t[s]の間に生じる位置変化ΔpHを次式で推定する。
ΔpH=VH×t ……(式1)
カメラ100の位置がΔpH変化したときの像面上(撮像素子6上)での像移動量ΔdH1は、撮影時の被写体倍率をMとしたとき次式で表される。
ΔdH1=M×ΔpH ……(式2)
被写体倍率Mは、撮像レンズ1Aの焦点距離をf、フォーカス繰り出し量をx’としたとき次式によって計算できる。
M=x’/f ……(式3)
続いて、制御マイコン13は、水平方向の角度変化に対しても同様に以下の演算により像の移動推定量ΔdH2を算出する。カメラ100が水平軸まわり(ピッチ方向)に角速度ωH[rad/s]で回転しているとき、露光時間t[s]の間に生じる角度変化ΔθHは、次式で推定される。
ΔθH=ωH×t ……(式4)
角度がΔθH[rad]変化したときの像面上での像移動量ΔdH2は、撮像レンズ1Aの焦点距離をf[mm]、フォーカス繰り出し量をx’[mm]としたとき、次式で表される。
ΔdH2=(f+x’)×tan(ΔθH) ……(式5)
制御マイコン13は、上記で求めた移動と角度変化によって生じる像移動の推定量ΔdH1とΔdH2を加算し、トータルの水平方向の像移動推定量ΔdHを算出する。
ΔdH=ΔdH1+ΔdH2 ……(式6)
制御マイコン13は、同様の手順で垂直方向の移動による像移動推定量ΔdV1と回転による像移動推定量ΔdV2とを算出し、以下の式でトータルの垂直方向の像移動推定量ΔdVを算出する。
ΔdV=ΔdV1+ΔdV2 ……(式7)
次にステップ101で、制御マイコン13は、算出した像移動推定量に基づいて、像移動により生じるMTF変化を予測する。露光中に等速で水平方向にΔdHの移動が生じた場合、MTFを決める点像の広がり関数(Point Spread Function:PSF)は、例えば図12に示す矩形関数となる。
図12は、像ぶれ(移動)の推定の一例と、それに対応した点像拡がり関数(PSF)の一例を示している。図12において、露光開始時の位置をP1、露光終了時の推定位置をP2とする。制御マイコン13は例えば、露光開始時点のカメラ100の移動速度および回転角速度で像が等速直線運動を行うとの仮定で推定する。図13は、像ぶれによるMTF特性を示す。図12に示したPSFをフーリエ変換したものに相当する。
MTFを求めるためには、PSFをフーリエ変換すればよいが、矩形関数のフーリエ変換は、次式に示すsync関数となるので、次式によって像移動推定量から水平方向の空間周波数uに対するMTF特性MtfH(u)を求めることができる。
MtfH(u)=sin(2π×ΔdH×u)/(2π×ΔdH×u) ……(式8)
続いて、制御マイコン13は、同様に垂直方向の像移動推定量ΔdVから、次式で垂直方向の空間周波数vに対するMTF特性MtfV(v)を算出する。
MtfV(u)=sin(2π×ΔdV×u)/(2π×ΔdV×u) ……(式9)
次に制御マイコン13は、ステップ102で、ステップ101で算出したMTF特性から可変光学ローパスフィルタ30に印加する電圧を決定し、OLPF制御部5に指示を与えて可変光学ローパスフィルタ30に、決定した電圧を印加する。印加電圧の決定は、以下のように行う。
制御マイコン13は、まず、撮像素子6の画素ピッチで決まるナイキスト周波数に対し80%になる周波数においてステップ101で算出した水平、および垂直それぞれの方向のMTFが何%になるかを求める。例えば、画素ピッチが5μmの場合、ナイキスト周波数は100c/mmとなるので80c/mmでのMTFを求める。像ぶれが一切なければ、MTFは低下しないので100%となるが、像ぶれが生じていた場合、例えば40%といった値が求まる。
制御マイコン13は、像ぶれが生じていない場合は、エイリアシングによる偽信号が発生しないように可変光学ローパスフィルタ30には、ローパス効果が最大となる電圧を印加する。カメラ100は、あらかじめ測定した印加電圧ごとのMTFデータを内部に保持しており、このローパス効果最大時の80c/mmにおけるMTFも知ることが可能になっている。例えば、ローパス効果最大時の80c/mmでのMTFが30%だったとする。
もともと30%MTFを低下させるように設定されているところに、像ぶれによってさらに40%のMTF低下が加わるので、このまま何もしなければ、0.3×0.4=0.12、すなわち12%までMTFが低下してしまう。そこで、像ぶれによって生じる40%分をローパス効果から減算し、同一の効果が得られるようにする。すなわち、MTFを40%の逆数1/0.4=2.5倍だけ補正すればよい。もともとの可変光学ローパスフィルタ30によるMTFは30%なので、0.3×2.5=0.75となり、80c/mmでのMTFが75%となる印加電圧を求め、その電圧を対応する方向(水平、垂直)の可変光学ローパスフィルタ30に印加すればよい。
続いて、制御マイコン13は、ステップ103で、撮像素子6から画像データを読み出す。ステップ104では、読み出した画像データに画像処理部7でホワイトバランス、デモザイク、階調変換、色変換、シャープネス補正、およびノイズリダクションなどの処理を適用し、液晶パネル10に出力、表示する。
ステップ105で、画像処理を適用した画像を画像処理部7においてJPEGアルゴリズムで圧縮し、記録メディア11に記録する。このとき撮影条件などのメタデータも同時に記録する。ステップ105で静止画撮影処理は終了となる。
本実施の形態では、ステップ100の説明にあるように、露光中に生じる像の移動方向を直線で近似し、その区間を等速で移動したものと仮定している。実際には像の移動が等速とならない場合も多いが、本件の目的である可変光学ローパスフィルタ30の特性コントロールにおいては、その可変範囲が限定されるため、対象となる像ぶれの範囲は比較的狭く短時間で生じたものとなり、上記のような近似でも十分意味のある効果が得られる。
もちろん、露光時間を複数の区間に区切って、検出と予測を繰り返すことで精度を向上させることは有効な手段である。また、演算パワーが十分あるような場合には、異なるタイミングでの角速度データ、加速度データ、および速度データを用い高次の近似式から変化を推定したり、2次元の移動軌跡を推定することも有効な手法である。この場合のMTF算出は、求めたPSFデータを高速フーリエ変換アルゴリズム(FFT)によって直接フーリエ変換するようにする。また、複数のデータを平均することで、ノイズ等の外乱を避けることも有効な手法である。
像面でのぶれ(移動)量を算出する(式2)、(式5)については、一部、近似を含んでいるが、上記同様に目的からして十分な精度が得られるものとなっている。また、(式5)の(f+x’)は、撮像レンズ1Aの像側主点から結像点までの距離に相当するので、焦点距離およびフォーカス繰り出し量の代わりに、像側主点から結像点までの距離を与える別の手段によって算出してもよく、同様に(式2)の撮影倍率Mを別の手段から取得して算出することも可能である。
(視覚系のMTF特性を用いた印加電圧決定例)
ステップ102における可変光学ローパスフィルタへの印加電圧決定についても、本実施の形態で説明したナイキスト周波数の80%以外の別の周波数で行うことも可能で、種々の条件に応じて最適化することが有効である。さらには、複数の周波数のMTFに加重をかけて積算した尺度によって同様な演算を行うことも可能で、例えば、視覚系のMTF特性も考慮した加重をかけた尺度により決定する手法はさらに画質を向上させるために有効である。以下にこの視覚系のMTFを用いた可変光学ローパスフィルタ30への印加電圧の決定例を示す。
人が画像を見た時に感じるシャープネス感覚と相関の高いシャープネス評価値として、例えば、以下の式に示すような画像形成系のMTFに視覚系のMTFによる加重をかけて積分した値が知られている。
I=[∫MTF(u)・VMTF(u)du]/[∫VMTF(u)du] ……(式10)
ここで、MTF(u)は、画像形成系のMTF特性で、VMTF(u)が視覚系のMTF特性、uは空間周波数である。積分は、カメラ100のナイキスト周波数の範囲で行う。
本実施の形態では、像移動が発生しない場合、可変光学ローパスフィルタ30に5Vの電圧を印加し最大のローパス効果を適用する。図14は、この5Vにおける可変光学ローパスフィルタ30のMTF特性と視覚系のMTF特性とを示したものである。図14の視覚系のMTFは、画像をモニタ上に画素等倍(画像の画素とモニタの表示画素が1:1に対応する状態)で表示し、300mmの距離で見た場合のものを示している。画像形成系のMTFと視覚系のMTFとの関係は、観察距離により変化するため、印加電圧の決定には画像のシャープネスを評価する典型的な観察条件として上記のものを使用する。印加電圧5Vにおけるシャープネス評価値Iを(式10)で計算すると、0.820が算出される。
一方、露光中に4μmの像移動が生じた場合の可変光学ローパスフィルタ30のMTFと像移動によるMTFとが合成されたMTF特性を図15に示す。印加電圧は5Vのままである。この場合のシャープネス評価値Iは0.732に低下する。そこで、可変光学ローパスフィルタ30のローパス特性を弱くして、4μmの像移動が発生した場合でも元のシープネス評価値の0.820と近いシャープネス評価値が得られるような印加電圧をカメラ100の内部で算出し適用する。具体的には、(式10)の積分を、例えば5本/mmずつのように離散的な空間周波数で行い高速化し、電圧を徐々に変化させた可変光学ローパスフィルタ30のMTF特性について計算を行い、最も近くなる値を算出する。前記のとおり、電圧ごとの可変光学ローパスフィルタ30のMTF特性は、カメラ100の内部に保持してある。印加電圧を2Vとした場合のシャープネス評価値は、0.804、同じく1Vとした場合は、0.828なので、印加電圧を1Vとすることでほぼ同等の画質を得ることが可能となる。図16に、印加電圧を1Vにして可変光学ローパスフィルタのローパス効果を変化させた場合のMTF特性を示す。
(ズーミングによる像移動に対する補正)
本実施の形態で示した手ぶれ、およびパンニング操作による像移動以外に、撮影中のズーム操作による像移動(像倍率変化)により生じたボケを補正することも可能である。ズーミングによる像移動は、図17、および図18に示すように、同一の焦点距離変化に対して、画面内の位置により像の移動量が異なる。なお、図18は図17に比べて画面の中心に近い位置における像移動を模式的に示している。同一像高(画面中心からの距離)に対しては、像高方向の移動量は同一であるが、同一像高でも位置によって移動量に対する水平、および垂直方向の成分量は変化する。像移動により生じるシャープネスの低下量も、画面内の位置によって異なる。このため、正しく補正するためには、可変光学ローパスフィルタ30を2次元的に分割し、画面内の各部分に異なるローパス特性を持たせる必要がある。
このようにズーミングによる像移動量は、画面内の位置によって変化するが、簡易的には重要な被写体が存在することが多い画面中央付近で画面全体に対する補正量を代表させ、その補正量を適用することも可能である。この場合は、以下の処理を行う。
撮影中、制御マイコン13は、レンズ制御部4から単位時間当たりの焦点距離変化量を取得し、それから露光中に生じる焦点距離変化量を予測する。制御マイコン13は、求まった焦点距離変化から像倍率の変化量を算出する。制御マイコン13は、画面全体を代表させる位置として、像高6mmの点を用い、像高6mmの位置で、露光時間中に生じる像高方向の像移動量を算出する。この像高方向の移動量を水平、および垂直方向に0.7倍して配分したもの(画面中心に対し斜め45度方向での水平、垂直方向の像移動量に相当)を使い、既に説明した方法と同様に補正量を算出する。
一方、上記のとおり、正確な補正を行うためには、可変光学ローパスフィルタ30を2次元的に分割し、それぞれの位置に対する水平、垂直方向の像移動量を求め、部分ごとに異なる印加電圧を適用してもよい。
[2.3 動画撮影処理]
図19に動画撮影処理の流れの一例を示す。制御マイコン13は自身で、または他の回路ブロックを制御することにより、動画撮影処理として、図19に示したステップS200〜ステップS207の処理を行う。動画撮影時の処理は、同じ名称の処理については、基本的に静止画撮影処理で説明したものと同じ内容となるため、以下に差分のみ説明する。
本実施の形態では、静止画撮影時も動画撮影時も撮像素子6から読みだす画像データは同じであるが、もしこれが異なり、静止画撮影時と画素ピッチが異なる場合は、ステップS202で、可変光学ローパスフィルタ30に印加する電圧を決定する際に用いる周波数を、動画時の画素ピッチから求めたナイキスト周波数に変更する。動画時は、高速で画像を読み出す必要があるため、画素を間引く場合があり、このような場合に画素ピッチが変化する。
ステップS204として、動画撮影中も連続してピント調整、露出制御、およびホワイトバランス処理を行うためのAF・AE・AWB処理が追加される。ここでの処理は、例えば算出した露出値が直前のフレームに対して急激に変化しないように変化をスムージングするなど、動画撮影に最適化した処理となる。
ステップS206の圧縮と記録処理については、動画に適した例えばITU−T H.264などの圧縮方式とAVCHDなど動画ファイルフォーマットに変更される。
ステップS207として、動画記録の終了判定が追加され、記録が終了していない場合は、ステップS200に戻り、一連の動作を繰り返す。記録終了が指示された場合は動画撮影処理を終了する。動画記録の終了指示は、シャッタボタン21のスイッチSW2を記録開始後いったんOffにしてから再度Onにすることで行う。
(その他)
以上では、露光中に像ぶれを検出し、リアルタイムに補正する場合を説明したが、ライブビュー表示中の像ぶれから撮影時のMTF特性を予測し、それに応じたローパス特性を露光開始前に適用して撮影することも可能である。
<3.効果>
本実施の形態によれば、撮影範囲の変化に応じて可変光学ローパスフィルタ30のローパス特性を変化させるようにしたので、高画質の画像を得ることができる。また、以下の効果が得られる。
手ぶれやパンニング操作による像ぶれが生じた場合も、それによるシャープネスの劣化を可変光学ローパスフィルタ30のローパス特性をコントロールすることによって補償でき、高画質の写真が撮影できる。
シャープネスの劣化を防ぐと言う点だけなら、可変光学ローパスフィルタ30を使用しないことで同様の効果を得ることが可能であるが、この場合は、エイリアシングによる偽信号が発生するため、別の意味で画質が劣化する。本実施の形態によれば、偽信号による画質劣化と像ぶれによる画質劣化との両方に適応的に対応可能となり、常に高画質の写真が撮影できる。
また、メカ的に光学ローパスフィルタの挿入/非挿入を切り替える先行例に対しては、像ぶれによるさまざまなMTF特性に適応的に対応が可能であり、さらに動画撮影中でも検出した像ぶれ量に対する対応が可能で、より高画質の写真(動画)を得ることができる。
なお、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。
<4.その他の実施の形態>
本開示による技術は、上記実施の形態の説明に限定されず種々の変形実施が可能である。
例えば、可変光学ローパスフィルタ30は図3〜図6に示した構成例に限らず、他の構成であってもよい。例えば、圧電素子を用いて撮像素子6を微小振動させることでローパスフィルタ効果を得るようなものであってもよい。また例えば、図20に示したように、液晶層33と第1の電極34および第2の電極35とを第1の透明基板36および第2の透明基板37によって挟み、その外側に第1の複屈折板31および第2の複屈折板32を配置した構成となっていてもよい。第1の透明基板36および第2の透明基板37としては、複屈折性の影響を与えないよう、石英ガラスなどの光学的等方性材料を用いることが好ましい。
また、撮影範囲の変化について、以上では、撮像装置の位置の変化や、撮像装置に対する操作に基づき撮影範囲が変化する場合を説明した。しかし撮影範囲の変化はこれに限らず、例えば、被写体の移動や変化に伴い、撮影範囲に含まれる画像が変化するものであってもよい。これにより被写体ぶれが生じた場合などにおいても、画質劣化を改善するという効果を得ることができる。
また例えば、本技術は以下のような構成を取ることができる。
(1)
撮影範囲の変化に応じて、撮像装置に搭載される光学ローパスフィルタのローパス特性を変化させる制御を行うフィルタ制御部を備えた
フィルタ制御装置。
(2)
前記フィルタ制御部は、前記撮影範囲に変化がある場合に、前記光学ローパスフィルタのローパス特性を前記撮影範囲に変化がない場合よりも弱くする
上記(1)に記載のフィルタ制御装置。
(3)
前記撮影範囲の変化は、被写体と前記撮像装置との相対的な位置および角度の少なくとも一方の変化により生ずる像の移動である
上記(1)または(2)に記載のフィルタ制御装置。
(4)
前記撮影範囲の変化による変化量は、被写体と前記撮像装置との相対的な位置および角度の変化量と、前記撮像装置における撮像レンズの焦点距離、前記撮像レンズのフォーカス繰り出し量、および露光時間とに基づいて求められる
上記(1)ないし(3)のいずれか1つに記載のフィルタ制御装置。
(5)
前記撮影範囲の変化は、ズーミングによる像倍率の変化である
上記(1)ないし(4)のいずれか1つに記載のフィルタ制御装置。
(6)
前記撮影範囲の変化は、前記撮像装置における手ぶれ、またはパンニング操作による像の移動である
上記(1)ないし(4)のいずれか1つに記載のフィルタ制御装置。
(7)
前記フィルタ制御部は、前記撮影範囲の変化量に基づいてMTF特性の変化量を予測し、前記MTF特性の変化を補償するように前記光学ローパスフィルタのローパス特性を変化させる
上記(1)ないし(6)のいずれか1つに記載のフィルタ制御装置。
(8)
前記フィルタ制御部は、前記撮影範囲の変化量に基づいてシャープネスの変化量を予測し、前記シャープネスの変化量を補償するように前記光学ローパスフィルタのローパス特性を変化させる
上記(1)ないし(6)のいずれか1つに記載のフィルタ制御装置。
(9)
前記光学ローパスフィルタのローパス特性を示すデータをRawデータと共に記録するRawデータ記録部をさらに備えた
上記(1)ないし(8)のいずれか1つに記載のフィルタ制御装置。
(10)
前記フィルタ制御部は、露光中の撮影範囲の変化、または、露光開始前の撮影範囲の変化に応じて前記光学ローパスフィルタのローパス特性を変化させる
上記(1)ないし(9)のいずれか1つに記載のフィルタ制御装置。
(11)
前記光学ローパスフィルタは、
液晶層と、
前記液晶層を挟んで互いに対向配置され、前記液晶層に電界を印加する第1および第2の電極と、
前記液晶層、ならびに前記第1および第2の電極を挟んで互いに対向配置された第1および第2の複屈折板とを有し、
前記第1および第2の電極間の電圧変化に応じてローパス特性が変化する
上記(1)ないし(10)のいずれか1つに記載のフィルタ制御装置。
(12)
撮影範囲の変化に応じて、撮像装置に搭載される光学ローパスフィルタのローパス特性を変化させる制御を行う
フィルタ制御方法。
(13)
光学ローパスフィルタと、
撮影範囲の変化に応じて、前記光学ローパスフィルタのローパス特性を変化させる制御を行うフィルタ制御部と
を備えた撮像装置。
本出願は、日本国特許庁において2014年7月8日に出願された日本特許出願番号第2014−140151号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願のすべての内容を参照によって本出願に援用する。
当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、および変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。

Claims (13)

  1. 撮影範囲の変化に応じて、撮像装置に搭載される光学ローパスフィルタのローパス特性を変化させる制御を行うフィルタ制御部を備えた
    フィルタ制御装置。
  2. 前記フィルタ制御部は、前記撮影範囲に変化がある場合に、前記光学ローパスフィルタのローパス特性を前記撮影範囲に変化がない場合よりも弱くする
    請求項1に記載のフィルタ制御装置。
  3. 前記撮影範囲の変化は、被写体と前記撮像装置との相対的な位置および角度の少なくとも一方の変化により生ずる像の移動である
    請求項1に記載のフィルタ制御装置。
  4. 前記撮影範囲の変化による変化量は、被写体と前記撮像装置との相対的な位置および角度の変化量と、前記撮像装置における撮像レンズの焦点距離、前記撮像レンズのフォーカス繰り出し量、および露光時間とに基づいて求められる
    請求項1に記載のフィルタ制御装置。
  5. 前記撮影範囲の変化は、ズーミングによる像倍率の変化である
    請求項1に記載のフィルタ制御装置。
  6. 前記撮影範囲の変化は、前記撮像装置における手ぶれ、またはパンニング操作による像の移動である
    請求項1に記載のフィルタ制御装置。
  7. 前記フィルタ制御部は、前記撮影範囲の変化量に基づいてMTF特性の変化量を予測し、前記MTF特性の変化を補償するように前記光学ローパスフィルタのローパス特性を変化させる
    請求項1に記載のフィルタ制御装置。
  8. 前記フィルタ制御部は、前記撮影範囲の変化量に基づいてシャープネスの変化量を予測し、前記シャープネスの変化量を補償するように前記光学ローパスフィルタのローパス特性を変化させる
    請求項1に記載のフィルタ制御装置。
  9. 前記光学ローパスフィルタのローパス特性を示すデータをRawデータと共に記録するRawデータ記録部をさらに備えた
    請求項1に記載のフィルタ制御装置。
  10. 前記フィルタ制御部は、露光中の撮影範囲の変化、または、露光開始前の撮影範囲の変化に応じて前記光学ローパスフィルタのローパス特性を変化させる
    請求項1に記載のフィルタ制御装置。
  11. 前記光学ローパスフィルタは、
    液晶層と、
    前記液晶層を挟んで互いに対向配置され、前記液晶層に電界を印加する第1および第2の電極と、
    前記液晶層、ならびに前記第1および第2の電極を挟んで互いに対向配置された第1および第2の複屈折板とを有し、
    前記第1および第2の電極間の電圧変化に応じてローパス特性が変化する
    請求項1に記載のフィルタ制御装置。
  12. 撮影範囲の変化に応じて、撮像装置に搭載される光学ローパスフィルタのローパス特性を変化させる制御を行う
    フィルタ制御方法。
  13. 光学ローパスフィルタと、
    撮影範囲の変化に応じて、前記光学ローパスフィルタのローパス特性を変化させる制御を行うフィルタ制御部と
    を備えた撮像装置。
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