CN101437105B - 摄像系统、具备此摄像系统的摄像装置、便携终端设备、车载设备、以及医疗设备 - Google Patents

摄像系统、具备此摄像系统的摄像装置、便携终端设备、车载设备、以及医疗设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种摄像系统，对投影到受光面上的光学像进行拍摄而获得的图像数据的质量能够容易得到提高。准备由摄像透镜(10)和摄像元件(20)构成的摄像系统，对从X、Y、Z方向的任意位置通过摄像透镜(10)投影到受光面(21)上的点像(P1)也使得此点像(P1)的有效区域的最大直径成为涉及受光像素的3像素以上的大小。信号处理部(40)对从拍摄通过摄像透镜(10)投影到受光面(21)上的被摄体的光学像的摄像元件(20)输出的第1图像数据实施在摄像透镜(10)的分辨率高时生成与从摄像元件(20)输出的第1图像数据同等的第2图像数据的复原处理。

Description

摄像系统、具备此摄像系统的摄像装置、便携终端设备、车载设备、以及医疗设备
技术领域
本发明涉及一种使用复原处理提高拍摄被摄体的光学像而得到的图像数据的质量的摄像系统、具备此摄像系统的摄像装置、便携终端设备、车载设备、及医疗设备。 
背景技术
众所周知，利用具有通过二维状配置多个受光像素而成的受光面的CCD元件或CMOS元件等的摄像元件、对通过摄像透镜成像在受光面上的被摄体的光学像进行拍摄的摄像系统。 
此外，作为这种摄像系统的一例，将具有设计成景深变深的摄像透镜的摄像系统直接安装在电路基板上的车载用照相机或便携电话用照相机等被实用化(参照专利文献1)。由于这种直接安装在电路基板的摄像系统的大小被限制，因此按照减小装置尺寸的方式进行设计。 
进一步，也公知的有，在高性能的车载用照相机或移动电话机用照相机中所使用的摄像系统，具有摄像透镜的分辨率接近衍射极限的性能的照相机。 
【专利文献1】(日本)特表2007-147951号公报 
然而，对使用这种摄像系统得到的图像，要求进一步提高分辨率。 
另一方面，为了使通过摄像系统得到的图像分辨率得到提高，有必要增大受光像素数，并且，提高摄像透镜的分辨率。即，例如，通过排列在摄像元件的受光面上的受光像素的像素密度得到提高，并且，提高摄像透镜的分辨率以使通过摄像透镜投影到其受光面上的点像收集在1个受光像素的范围内，由此，可以提高使用摄像系统得到的图像分辨率。
此处，不加大装置尺寸而提高构成摄像元件的受光像素的像素密度的技术，可以通过近几年的技术的提高而较容易地实现。 
另一方面，提高摄像透镜的分辨率是极为困难的。即，为了不加大摄像透镜的尺寸或弄浅景深深度而提高此摄像透镜的分辨率，有必要控制构成摄像透镜的各透镜的形状误差或组装误差等。然而，这种摄像透镜的分辨率已被提高到接近衍射极限为止，所以存在着通过进一步提高制作精度(加工、组装、调整精度等)来提高分辨率是非常困难的问题。 
发明内容
本发明鉴于上述问题而提出的，其目的在于，提供一种可提高拍摄投影到受光面的光学像而得到的图像数据的质量的摄像系统、具备此摄像系统的摄像装置、便携终端设备、车载设备、及医疗设备。 
本发明的摄像系统，其特征在于，具有：摄像透镜；摄像元件，具有二维状排列多个受光像素而构成的受光面，拍摄通过摄像透镜投影到受光面上的被摄体的光学像而输出表示该被摄体的第1图像数据；信号处理单元，对第1图像数据实施生成与在摄像透镜的分辨率高时从摄像元件输出的第1图像数据同等的第2图像数据的复原处理，摄像透镜和摄像元件构成为对从X、Y、Z方向的任意位置通过该摄像透镜投影到受光面上的点像也使得该点像的有效区域的最大直径成为涉及受光面像素的3像素以上的大小，上述信号处理单元利用与第1图像数据表示的点像状态对应的复原系数实行上述复原处理。 
上述摄像透镜构成为，对从离开该摄像透镜的焦距10倍以上的X、Y、Z方向的任意位置通过其摄像透镜投影到受光面上的被摄体的光学像，与该光学像有关的MTF特性的值也成为正。 
上述信号处理单元将由受光面上的纵向3像素以上及横向3像素以上构成的涉及合计9像素以上的像素区域作为最小单位进行复原处理，或者将包含投影到受光面上的点像的有效区域的全部的最小像素区域作为最小单位实施复原处理。 
上述信号处理单元进行复原处理，使得第2图像数据表示的图像中的  上述点像的有效区域的大小小于第1图像数据表示的图像中的点像的有效区域的大小。 
上述复原系数可以是按每个摄像系统对该摄像系统单独求出的，或者是从与分为多个种类的点像的各状态对应的各复原系数的候补中按照第1图像数据表示的点像的状态所选择的，或者是通过从与分为多个种类的该点像的各状态对应的多种复原系数的候补中按照上述第1图像数据表示的该点像的状态所选择出的复原系数进一步根据点像的状态进行校正而成的。 
上述摄像系统，还可以具备取得复原系数的复原系数取得单元。 
本发明的摄像装置，其特征在于，具备上述摄像系统。 
本发明的便携终端设备，其特征在于，具备上述摄像系统。 
本发明的车载设备，其特征在于，具备上述摄像系统。 
本发明的医疗设备，其特征在于，具备上述摄像系统。 
投影到上述受光面上的点像的有效区域的最大直径可以是投影到受光面上的点像的有效区域在包含最多的受光像素的方向上的该有效区域的直径，上述“点像的有效区域的最大直径是涉及3像素以上的大小的结构”可以是“点像的有效区域在包含最多的受光像素的方向上，该有效区域是涉及受光像素的3像素以上的大小的结构”。 
上述“点像的有效区域”意味着具有表示点像的光强分布中的峰值强度的l/e2(大约13.5％)以上的光强的区域。 
此外，上述“复原处理”可以采用(日本)特开2000-123168号公报、0002～0016段中介绍的图像复原处理等。并且，在复原处理的实施中，可以应用后述的非专利文献[鷲沢嘉一、山下幸彦著，题目“KernelWiener Filter”，2003 Workshop on Information-Based InductionSciences，(IBIS2003)，Kyoto，Japan，Nov 11-12，2003]的技术等。 
而且，上述「离开摄像透镜的焦距10倍以上的位置」是意味着「以在构成摄像透镜的透镜面中的且最靠被摄体侧(物侧)的面和此摄像透镜的光轴交叉的位置为基准位置，从此基准位置沿着其摄像透镜的光轴方向(Z轴方向)向被摄体侧离开焦距10倍以上的位置」。 
本发明的摄像系统将摄像透镜和摄像元件构成为：对从任意位置通过摄像透镜投影到受光面上的点像，也使得此点像有效区域的最大直径成为涉及受光像素的3像素以上的大小，并且，对从摄像元件输出的第1图像数据实施在此摄像透镜的分辨率高时生成与从摄像元件输出的第1图像数据同等的第2图像数据的复原处理，所以，可容易提高拍摄投影到受光面的光学像而得到的图像数据的质量。 
即，在本发明的摄像系统中，利用分辨率低的摄像透镜，可以获得与对通过比此摄像透镜具有高的分辨率的摄像透镜投影的光学像进行拍摄得到的图像同等的图像。例如，通过摄像透镜被投影的点像的有效区域是涉及受光面上的纵方向3像素及横方向3像素的合计9像素的区域。于是，对拍摄涉及此合计9像素的点像从摄像元件输出的第1图像数据实施复原处理以生成与在例如点像有效区域收剑于受光面上的1像素的区域内时从摄像元件输出的第1图像数据(即，摄像透镜的分辨率高时从摄像元件输出的第1图像数据)同等的第2图像数据，因此，可以用比第1图像数据表示的图像分辨率高的分辨率得到表示相同的图像的第2图像数据。 
进一步，在此摄像系统中，也可以对从任意位置通过摄像透镜投影到受光面上的光学像实施上述复原处理，所以，可以提高第1图像数据表示的图像整体的分辨率。即，也可以将第2图像数据表示的图像中的任意区域的分辨率设为比第1图像数据表示的图像分辨率高。 
由此，与如以往那样提高摄像系统的制作精度(加工、组装、调整精度等)来提高摄像透镜的分辨率等的情况相比，可以更加容易提高图像数据的质量。 
而且，若将摄像透镜构成为，对从离开此摄像透镜的焦距10倍以上的X、Y、Z方向的任意位置通过其摄像透镜投影到受光面上的被摄体的光学像，与此光学像的MTF特性值也成为正，则对表示距离摄像透镜的焦距10倍以上的位置的被摄体的第1图像数据，可更加可靠地提高其质量。 
而且，若信号处理单元将由受光面上的纵向3像素以上及横向3像素以上构成的涉及合计9像素以上的像素区域作为最小单位进行复原处理，则  可更加可靠地实施复原处理。 
而且，若信号处理单元将包含投影到受光面上的点像的有效区域的全部的最小像素区域作为最小单位实施复原处理，则可抑制复原处理的运算量的增大，且可以有效地实施复原处理。 
此外，若信号处理单元实施复原处理，使得第2图像数据表示的图像中的上述点像的有效区域的大小小于第1图像数据表示的图像中的点像的有效区域的大小，就能够更可靠地提高图像数据的性质。 
这里，信号处理单元若利用与第1图像数据表示的图像中的点像的状态(以下，还称为点像的模糊状态)对应的复原系数实施复原处理，则可以获得通过更加正确地校正上述点像的模糊状态而成的第2图像数据，所以，可以更加可靠地提高图像数据的质量。 
而且，还将“点像的状态”称为“点像的模糊状态”，其理由在于，通过摄像透镜投影到受光面上的点像、及拍摄该点像而得到的第1图像数据表示的点像，因图像透镜像差的影响等，而其质量与对应于该点像的物点即被摄体相比有些劣化。即，在例如被摄体为分辨率图表时，通过摄像透镜投影到受光面上的分辨率图表的像、及拍摄该分辨率图表的像而得到的第1图像数据表示的分辨率图表的图像的分辨率，低于作为被摄体的分辨率图表的分辨率。并且，该“点像的状态”或“点像的模糊状态”主要表示点像的分辨率的劣化状态。 
此外，若将复原系数设为按每个摄像系统对该摄像系统单独求出的复原系数，则可以更准确地求出能提高图像数据的质量的复原系数。 
而且，若将复原系数设为从与分为多个种类的点像的各模糊状态对应的各复原系数的候补中按照第1图像数据表示的点像的模糊状态所选择出的复原系数，则与对每个摄像系统单独求出复原系数的情况相比，可以更容易取得复原系数。 
而且，若将复原系数设为通过从与分为多个种类的该点像的各状态对应的多种复原系数的候补中按照第1图像数据表示的该点像的状态所选择出的复原系数进一步根据点像的状态进行校正而成的复原系数，则与对每  个摄像系统单独求出复原系数的情况相比，可以抑制求出复原系数时的精度下降的同时更容易取得该复原系数。 
而且，若摄像系统具有取得复原系数的复原系数取得单元，则可以更可靠地取得复原系数。 
本发明的摄像装置、便携终端设备、车载设备、医疗设备的每一个具有上述摄像系统，所以可以如上所述地容易提高对投影到受光面的光学像进行拍摄而得到的图像数据的质量。 
附图说明
图1是表示本发明的摄像系统的简要结构的框图。 
图2(a)是表示点像的光强分布的图，图2(b)是表示投影到受光面的点像的图。 
图3(a)是在第1图像数据表示的图像中所示的点像的图像的图，图3(b)是在第2图像数据表示的图像中所示的点像的图像的图。 
图4(a)是表示在摄像透镜的分辨率高时投影到受光面上的点像的光强分布的图，图4(b)是表示摄像透镜的分辨率高时投影到受光面的点像的图。 
图5是表示在沿光轴方向移动物点时投影到受光面上的该物点的光学像即点像的有效区域的最大直径的变化的图。 
图6是表示在沿光轴方向移动物点时投影到受光面上的该物点的光学像有关的MTF特性的值(％)的变化的图。 
图7是表示第2例的复原系数取得装置的图。 
图8是表示第3例的复原系数取得装置的图。 
图9是表示在内部具备复原系数取得装置的摄像系统的图。 
图10是表示在信号处理部的内部具备复原系数取得装置的摄像系统的图。 
图11是表示搭载了具有摄像系统的车载设备的汽车的图。 
图12是表示具有摄像系统的便携终端设备即移动电话机的图。 
图13是表示具有摄像系统的医疗设备即内窥镜装置的图。
图中：10-摄像透镜，20-摄像元件，21-受光面，30-系数存储部，40-信号处理部，70A-第1例的复原系数取得装置，70B-第2例的复原系数取得装置，70C-第3例的复原系数取得装置，72-理想点像存储部，76-判断部，78-复原系数取得部，79-候补系数存储部，100-摄像系统，G1-第1图像数据，G2-第2图像数据，F-复原处理，P1-点像，K-复原系数，Dr-设计数据、理想点像状态数据，Dk-系数数据。 
具体实施方式
下面，利用附图对本发明的实施方式进行说明。图1是表示本发明的摄像系统的简要结构的框图。 
[关于摄像系统的结构] 
以下，对摄像系统的结构进行说明。 
图1所示的本发明的摄像系统100具有：摄像透镜10；摄像元件20，具有通过二维状排列多个受光像素而成的受光面21，该摄像元件对通过摄像透镜10投影到受光面21上的被摄体的光学像P1进行拍摄而输出表示该被摄体的第1图像数据G1；和信号处理部40，对第1图像数据G1实施在摄像透镜10的分辨率高时生成与从摄像元件20输出的第1图像数据G1同等的第2图像数据G2的复原处理。 
摄像透镜10和摄像元件20构成为对从X、Y、Z方向的任意位置通过摄像透镜10投影到受光面21上的点像(P1)，也使得此点像(P1)的有效区域的最大直径成为涉及受光像素的3像素以上。 
此处，投影到受光面21上的点像的有效区域的最大直径是投影到受光面21上的点像P1的有效区域在包含最多的受光像素的方向上的该点像P1有效区域的直径。 
而且，在图1中用箭头Z表示的方向是摄像透镜10的光轴方向，用箭头X、Y表示的方向是与受光面21平行的方向。 
在摄像系统100的外部设有取得与由从摄像元件20输出的第1图像数据G1表示的点像P1的模糊状态对应的复原系数K的复原系数取得装置  70A。上述信号处理部40使用复原系数取得装置70A取得的复原系数K实施复原处理F。 
此处，摄像系统100具备存储复原系数取得装置70A取得的复原系数K的系数存储部30，但此系数存储部30也可以内装在信号处理部40。进一步，系数存储部30未必一定具备在摄像系统100。 
上述复原系数取得装置70A具有：理想点像存储部72，预先存储有在包含摄像透镜10的光学系统中完全没有误差时的与点像有关的设计数据或与优越于它的理想点像状态有关的理想点像状态数据中的任一个数据Dr；点像模糊状态取得部73，用于取得由从摄像元件20输出的第1图像数据G1表示的点像P1的模糊状态得到表示的模糊点像状态数据Db；复原系数取得部78A，输入表示由此点像模糊状态取得部73取得的上述点像P1的模糊状态的模糊点像状态数据Db及存储在理想点像存储部72中的设计数据或理想点像状态数据的数据Dr，并通过利用两者的运算而取得表示与上述第1图像数据G1表示的点像P1的模糊状态对应的复原系数K的系数数据Dk，将该系数数据Dk表示的复原系数K存储在系数存储部30中。 
此外，用于本发明的摄像系统的摄像透镜不限于必定通过该摄像透镜将光学像准确“成像”在受光面上的摄像透镜，即使是未通过摄像透镜将光学像准确“成像”在受光面上的摄像透镜也可以采用。因此在本发明中对通过摄像透镜将光学像“投影”在受光面上的情况进行说明。“未成像”状态可以解释为所谓模糊的像，但是包括例如由制造误差引起的生成比本来的点像更扩展的点像的状态、或由于设计性的制约条件(光学系统的大小或成本)只能提供比设计值自身本来想得到的点像大的点像的状况。 
而且，主要表示点像的分辨率的劣化状态的模糊点像状态数据Db，例如可以表示点像P1的有效区域的大小或点像P1的受光面上的亮度分布(在图像中的浓度分布)等。 
[关于摄像系统的作用] 
接着，对上述摄像系统的作用进行说明。
首先，对由复原系数取得装置求出复原系数而将该复原系数存储在系数存储部时的一例进行说明。 
通过摄像透镜10投影到受光面21上的被摄体的光学像由摄像元件20拍摄，从摄像元件20输出的表示上述被摄体的第1图像数据G1被输入到点像模糊状态取得部73。 
输入第1图像数据G1的点像模糊状态取得部73对第1图像数据G1表示的点像的模糊状态进行分析并输出表示其分析结果的模糊点像状态数据Db。 
复原系数取得部78A输入从点像模糊状态取得部73输出的模糊点像状态数据Db及预先存储在理想点像存储部72中的上述设计数据或作为理想点像状态数据的数据Dr，并通过利用两者的运算取得与上述点像P1的模糊状态对应的复原系数K，且输出表示该复原系数K的系数数据Dk。 
表示从复原系数取得部78A输出的复原系数K的系数数据Dk被输入到系数存储部30，在该系数存储部30存储系数数据Dk表示的复原系数K。 
并且，作为实现点像模糊状态取得部73的例子，举出后述的D×OLabs公司(法国)制造的D×O分析仪(analyser)。若采用该D×O分析仪，可以通过对从摄像元件20输出的第1图像数据G1进行分析来求出投影到受光面21上的点像P1的模糊状态。 
[关于复原处理] 
接着，说明利用存储在系数存储部30的复原系数K对从摄像元件20输出的第1图像数据进行复原处理F，取得表示分辨率高于第1图像数据表示的图像的第2图像数据的情况。而且，在下面的说明中，主要说明对表示点像的第1图像数据实施复原处理F的情况。 
图2(a)是在纵轴表示光强E、横轴表示受光面上的X方向的位置的坐标上表示点像的光强分布的图。图2(b)是在纵轴表示受光面上的Y方向的位置、横轴表示受光面上的X方向的位置的坐标上表示构成受光面的受光像素的各像素区域(图中用符号Rg表示)和投影到该受光面的点像的图；图3(a)是在第1图像数据表示的图像中所示的点像的图像的图；图3(b)是在第2图像数据表示的图像中所示的点像的图像的图。并且，图3(a)和图3(b)分别所示的图像中的各像素区域(图中用符号Rg′表  示)的大小相互一致。并且，构成受光面21的受光像素的各像素区域Rg和第1图像数据G1或第2图像数据G2表示的图像中的图像区域Rg′成为相互对应的区域。 
而且，图4(a)是在纵轴表示光强E、横轴表示受光面上的X方向的位置的坐标上表示摄像透镜10的分辨率高时会投影到受光面21上的点像的光强分布的图。此外，这还可以考虑为与光学系统无关地表示理想的点像状态。图4(b)是在纵轴表示受光面上的Y方向的位置、横轴表示受光面上的X方向的位置的坐标上表示构成受光面的受光像素的各像素区域(图中用符号Rg表示)及摄像透镜10的分辨率高时会投影到受光面21上的点像P2的图。 
通过摄像透镜10投影到受光面21上的光学像的点像P1的有效区域R1的最大直径M1，如图2(b)所示是涉及构成受光面21的受光像素的连续的3像素的大小。此外，该有效区域R1是由受光面21上的纵向3像素及横向3像素构成的涉及合计9像素的区域。即，有效区域R1是占有构成受光面21的受光像素的9像素部分(3像素×3像素)的区域。 
此外，如图2(a)所示，点像P1的有效区域R1是具有表示点像P1的光强分布H1中的峰值强度Ep1的1/e2以上的光强的区域。 
投影到上述受光面21上的点像P1由摄像元件20拍摄，表示该点像P1的第1图像数据G1从摄像元件20输出。 
如图3(a)所示，与该第1图像数据G1表示的图像Zg1中所示的上述点像P1对应的图像P1′仍表示为该有效区域R1′在图像中涉及9像素部分(3像素×3像素)的图像。 
接着，输入该图像数据G1的信号处理部40，对第1图像数据G1进行利用复原系数K1的复原处理F，而得到第2图像数据G2。 
如图3(a)、(b)所示，与上述第1图像数据G1表示的点像的图像P1′对应的第2图像数据G2表示的图像Zg2中的点像的图像P2′，该图像P2′的有效区域R2′与上述第1图像数据G1表示的图像Zg1中的点像图像P1′的有效区域R1′相比减小。从而，在图像Zg2中所示的点像图像P2′的最大  直径M2′(图像区域Rg′的3像素部分的区域)也比图像Zg1中表示的点像图像P1′的最大直径M1′(图像区域Rg′的1像素部分的区域)减小。 
即，该图3(b)所示的第2图像数据G2表示的点像的图像P2′，与由对在摄像透镜10的分辨率高时会投影到受光面21上的点像P2(参照图4)进行拍摄的、且从摄像元件20输出的第1图像数据表示的点像图像成为同等的图像。 
更具体地，对拍摄通过摄像透镜10投影到受光面21上的有效区域R1涉及9像素部分的点像P1(参照图2(a)、(b))的且从摄像元件20输出的第1图像数据G1、实施利用上述复原系数K的复原处理F而得到的第2图像数据G2所表示的点像的图像P2′(参照图3(b))，与对在摄像透镜10的分辨率提高时预计投影到受光面21上的点像P2(有效区域R2的最大直径M2包含在一个像素区域Rg中，参照图4(a)、(b))进行拍摄的且从摄像元件20输出的第1图像数据G1所表示的点像图像成为同等的图像。 
而且，图4(a)、(b)所示的受光面21上的一个像素区域Rg中包含的点像P2的有效区域R2，与上述点像P1的情况同样地是具有表示点像P2的光强分布H2中的峰值强度Ep2的1/e2以上的光强的区域。这里，点像P2的有效区域R2是包含在一个像素区域Rg中的大小。 
这样，对第1图像数据实施复原处理而得到的第2图像数据所表示的图像的分辨率，可以高于第1图像数据表示的图像的分辨率。 
此外，通过该复原处理F，可以得到与扩大摄像透镜10的景深时得到的图像相同的图像，所以上述复原处理还称为实质上放大摄像透镜10的景深的处理。 
并且，在基于信号处理部40的、利用与第1图像数据G1表示的点像P1的状态对应的复原系数K的复原处理F中，可以采用上述的专利公开2000—123168号公报中第【0002】～【0016】段所介绍的图像复原处理等。 
在上述说明中对拍摄点像的情况进行了说明，但是，通过摄像透镜10投影到受光面21上的被摄体的光学像，可认为是表示被摄体的点像的集合，所以无论拍摄的被摄体是哪种物体，也可以对上述第1图像数据实施  复原处理而生成以高于该第1图像数据表示的图像的分辨率表示图像的第2图像数据。 
[关于摄像系统的性能] 
接着，对上述摄像系统100所使用的由摄像透镜10和摄像元件20构成的摄像系统的性能进行说明。 
图5是在横轴以对数刻度(m)表示从摄像透镜到物点的光轴方向的距离U、纵轴表示与连续排列在受光面上的像素区域数(N)对应的长度的坐标上，示意地示出沿光轴方向移动物点时投影到受光面上的与该物点对应的点像有效区域的最大直径变化的图。 
这里，将物点从大致与摄像透镜接触的近点的位置(接近到大约0.01m的位置)移动到相对于摄像透镜大致无限远的远点的位置(大约相距10m的位置)。 
由图5中的系列A—1、A—2、A—3表示的3种曲线(实线)示意地示出通过本发明的摄像系统的摄像透镜10投影到受光面21上的互不相同的特定区域(像高互不相同的受光面上的特定区域)的各点像的有效区域的最大直径的变化。此外，图5中的系列Aw所示的曲线(虚线)表示通过在以往的摄像系统(例如车载用照相机、移动电话机用照相机、医疗设备用照相机等)中所使用的摄像透镜投影到受光面上的点像有效区域的最大直径的一般变化。 
根据图5可知，在以往的摄像系统中，通过将物点投影在受光面21上而成的点像的有效区域的最大直径，随着物点向光轴方向的移动，从涉及1像素部分的大小到30像素部分的大小变化很大。 
另一方面，通过本发明的摄像系统100具备的摄像透镜10将物点投影到受光面21上而成的点像的有效区域的最大直径，对于系列A—1、A—2、A—3中的任一个均是涉及3像素部分以上、10像素部分以下的大小。即，与从摄像透镜10到物点的距离无关，且与所投影的点像在受光面上的位置(例如，受光面上的像高)无关，该受光面上的点像的有效区域的大小的变动较少。而且，对于从X、Y、Z方向的任一位置即3维空间的任一位置通  过摄像透镜10投影到受光面上的点像，也可说成其点像的有效区域的大小变动较少。 
图6是在横轴以对数刻度(m)表示从摄像透镜到物点的光轴方向的距离U、纵轴表示MTF特性的值(％)的坐标上，示意地示出沿光轴方向移动物点时投影到受光面上的与上述物点的光学像有关的MTF特性的值(％)的变化的图。 
这里，将物点从大致与摄像透镜接触的近点的位置(接近到大约0.01m的位置)移动到相对于摄像透镜大致无限远的远点的位置(大约相距10m的位置)。 
由图6中的系列B—1、B—2、B—3表示的有关本发明的摄像系统的3种曲线(实线)，示意地示出通过摄像透镜10投影到受光面上的互不相同的特定区域(像高互不相同的特定区域)的有关光学像的MTF特性的值(％)的变化。此外，由图6中的系列Bw表示的曲线(虚线)，是关于以往的摄像系统表示与投影到受光面上的光学像有关的MTF特性的值(％)的一般变化。 
由图6可知，在以往的摄像系统中，与投影到受光面21上的光学像有关的MTF特性的值(％)从0％到超过80％的值变化很大。而且，在摄像透镜10和物点接近的近点，关于位于比MTF特性的值成为0％的位置更接近摄像透镜10的区域(MTF特性的值从0％折反的区域)的物点，产生伪分辨。此外，在摄像透镜10和物点分离的远点，关于位于比MTF特性的值成为0％的位置更远的区域(MTF特性的值从0％折反的区域)的物点，也产生伪分辨。 
另一方面，与通过本发明的摄像系统100具备的摄像透镜10投影到受光面21上的光学像有关的MTF特性的值(％)，对于系列B—1、B—2、B—3均为10％以上60％以下的大小，不产生伪分辨。即，与从摄像透镜10到物点的距离无关，且与所投影的光学像的受光面上的位置(例如，受光面上的像高)无关，与投影到受光面上的光学像有关的MTF特性的值的变动减少，也不产生伪分辨。进一步，对于与从X、Y、Z方向的任意位置通过摄像透镜10投影到受光面上的光学像有关的MTF特性也可以说变动较少。
另外，摄像透镜10构成为，关于从离开该摄像透镜10的焦距(例如4～5mm)的10倍以上的X、Y、Z方向的任意位置通过摄像透镜10而投影到受光面21上的被摄体的光学像，与此光学像有关的MTF特性值也成为正。 
摄像透镜10也可构成为，关于摄像透镜和摄像元件在例如Z方向上被限制在10f以上、在X、Y方向上也被限制在物体高为止的范围内且从X、Y、Z方向的任意位置投影到受光面上的点像，此点像的有效区域的最大直径也成为形成摄像元件的受光面的涉及受光像素的3像素以上的大小。 
然而，摄像透镜10不一定限制在满足此条件的情况，摄像透镜10和摄像元件20只要是构成为：关于从X、Y、Z方向的任意位置通过该摄像透镜10投影到受光面21上的点像，此点像的有效区域的最大直径也成为受光面上的涉及受光像素的3像素以上的大小，就可获得从摄像元件20输出的图像数据的质量得到提高的效果。 
如上所述，根据本发明的摄像系统，如以往从摄像透镜输出的第1图像数据表示的图像分辨率的不足就可简单地仅通过对第1图像数据实施复原处理(图像处理)得到补正。即，通过对第1图像数据的复原处理，可得到表示具有所望的分辨率的图像的第2图像数据，所以，通过对投影到受光面的光学像进行摄像而获得的图像数据的质量就可容易得到提高。 
[对于复原系数取得装置的作用] 
以下，对复原系数取得装置70A的作用进行详细说明， 
作为复原系数取得装置70A的功能，需要进行： 
(1)点像测量、判断画面内均匀性 
(2)导出提供最佳的复原处理的系数组(复原系数) 
(3)记录最佳的系数组 
更详细地说明各功能。 
(1)是在各摄像透镜和摄像元件的组合中，实际测量、判断成像性能(分辨率)的功能。作为根据从摄像元件得到的电信号(第1图像数据)测量光学点像的机构，有市售的法国D×O公司的D×O分析仪。这利用了D×O公司提倡的表示所谓B×U的模糊的概念，所以可以从来自摄像元件的输出信号求出点像(光学点像、图像处理后点像均可求出)。
具体地，该D×O分析仪通过对拍摄某个指定的图表(在白底上排列无数个黑圆点的图表)而得到的图像数据(第1图像数据)进行分析，计算摄像元件的受光面上任意点处的点像大小(http://www.dxo.com/jp/image_quality/dxo_analyzer)。 
而且，测量光学点像的机构只要是可以根据来自摄像元件(即传感器)的输出信号计算点像的测量机构，则不论形式。 
另一方面，在正如光学设计值的情况下的点像的大小，可以由设计该光学系统的工具计算，所以通过比较由该计算得到的“设计值点像”和由D×O分析仪等测量器测量的“测量点像”的大小，可以判断测量点像从设计值偏移何种程度。例如，光学部件有组装误差时的测量点像的大小，多半与设计值点像相比变大。此外，摄像元件的投影到受光面上的点像的有效区域的形状或亮度分布本来形成点对称的形状或分布，但是若摄像透镜倾斜或其轴偏移，则局部地产生前模糊、后模糊，成为所谓“单模糊状态”。通过比较上述“设计值点像”和“测量点像”求出从这种设计值的偏离，进而可以判断是否仍然可以说是正如设计值。此外，即使不拘泥于设计值点像，也可以任意地定义理想状态，比较其理想状态(“理想点像”)和“测量点像”来判断其差异。 
(2)是实施以核维纳滤波器为基本的复原处理，且通过计算求出使上述“测量点像”接近“设计值点像”或“理想点像”的系数组(复原系数)的阶段。作为核维纳波滤器，如文献(鷲沢嘉一、山下幸彦著，题目“Kernel Wiener Filter”，2003 Workshop on Information-BasedInduction Sciences，(IBIS2003)，Kyoto，Japan，Nov 11-12，2003)所示，作为在原信号经过某些滤波而与噪声一起被观测时从包含噪声的观测信号中推算原信号的技术方法，被广泛使用。这里，若将原信号设为“被拍摄的物体”，作为滤波系统设为“摄像透镜+摄像元件”，将观测信号设为“图像信号(第1图像数据)”，并且将噪声设为“设计值点像(或者理想点像)和测量点像的差异”，则可以应用核维纳滤波器推算“被拍摄的物体”。
若实物的“摄像透镜+摄像元件”没有一切误差原因，则所拍摄的物体就应当是图像信号，在经过该复原处理之后原理上得到理想的“图像信号(第2图像数据)”。实际上，还存在基于原来的(1)的测量误差等，噪声成分未被全部除去而残留一部分，但是测量点像接近设计值点像或理想的点像的事实是可靠的，作为最终的图像的品质得到提高。 
具体地，在由于某种误差原因而光学点像大于设计值、或者在成像面内不均匀的情况下，也可以通过复原处理将该点像校正为较小、或者在成像面内均匀化，从而可以确保经得起实用的性能。此外，在不仅是基于制造的误差原因、不得不具有设计上较低的性能(光学点像大于元件间距)的光学系统中，也可以通过校正点像提高外观上光学性能。若追求该外观上的光学性能提高，则有可能超越理论上所示的极限分辨率，所以在考虑到近年来的像素尺寸的小型化的倾向时非常有用。 
这里，极限分辨率由爱里斑的大小给出，无像差透镜的点像强度的有效区域(峰值强度×(1/e2))的半径Re、及成为强度零的半径Rc由以下式规定。作为摄像元件使用的最近的CMOS元件的像素间距为2.2微米、1.75微米，今后预计1.4微米、1.0微米成为主流。作为例子，若以F2.8、波长550nm计算Re及Rc，则分别为 
Re(点像强度的有效区域的半径)＝0.82λF＝0.82×2.8×550×0.001＝1.26微米(点像强度的有效区域的直径2.52微米) 
Rc(点像强度成为零的半径)＝1.22λF＝1.22×2.8×550×0.001＝1.88微米(点像强度成为零的直径3.76微米)，像素间距已经超过衍射极限。 
衍射极限以无像差为前提，但是现实的光学系统没有无像差的情况，特别是鉴于谋求小型化、低成本化，反而残留像差，不得已具有妥协的性能。在这种状况下，基于核维纳滤波器的复原处理也可以将作为最终的图像的质量提高到实用性的程度。 
上述的复原处理设想在某个特定像面上或其很近处(前模糊后模糊的范围)实施，但是在与摄影距离的变动对应的散焦方向的无数像面组中，  若考虑消除测量点像和设计值点像的差的复原处理，则可以扩大焦点深度。 
在复原处理的实施时，应消除的噪声成分随着各“摄像透镜+摄像元件”各式各样，优选对每个“摄像透镜+摄像元件”的组合进行最佳的复原处理。但是，复原处理自身的算法相同即可，因此参照的“系数组”最佳即可。 
(3)是实际上使“摄像透镜+摄像元件”的组组合“最佳的系数组”的阶段。为此，应当在某个记录介质中存储用于实施最佳的复原处理的系数组并将它加到“摄像透镜+摄像元件”的组中。从而，需要记录过程。 
这样，通过将摄像系统作为“摄像透镜+摄像元件+记录介质”的组而使用，从而光学性的点像(也称光学点像)被校正为适合用途的形式，最终可以得到良好的品质的图像。具体地，提供一种即使因某种理由(制造公差、原来的设计值低)而分辨率不满足但作为处理后的图像也可实现满足的分辨率的机构。此外，还可以提供与各摄像透镜和摄像元件的组的特性一致的焦点深度扩大机构。 
[关于复原系数取得装置的变形例] 
下面，对复原系数取得装置的变形例进行说明。 
将与摄像元件所输出的由第1图像数据表示的点像模糊状态对应的复原系数K1存储在系数存储部30的复原系数取得装置，也可构成为与上述第1例的复原系数取得装置70A不同的在以下说明的第2例复原系数取得装置70B或第3例复原系数取得装置70C。 
图7是表示第2例复原系数取得装置70B的图，该第2例复原系数取得装置70B将从与分类成多个种类的点像模糊状态分别对应的各复原系数的候补中按照第1图像数据表示的点像模糊状态所选择的复原系数存储在系数存储部。 
如图7所示，此复原系数取得装置70B具备有：候补系数存储部79，存储分别与预先分类成多个种类的点像模糊状态对应的各复原系数的候补K1、K2…；点像模糊状态取得部73，取得通过摄像透镜10投影到受光面21上的点像P1的模糊状态；复原系数取得部78B，从上述复原系数的候补  K1、K2…之中选择与上述第1图像数据G1表示的点像P1的模糊状态对应的复原系数(例如K1)，将此复原系数K1存储在系数存储部30。 
此复原系数取得装置70B，通过点像模糊状态取得部73得到表示点像模糊状态的模糊点像状态数据Db，复原系数取得部78B，在存储在候补系数存储部79的复原系数的候补K1、K2…之中选择与模糊点像状态数据Db表示的点像P1的模糊状态对应的复原系数(例如K1)，将表示此复原系数K1的系数数据Dk输出并存储在系数存储部30。 
即，在系数存储部30存储：从分别与分类成多个种类的点像模糊状态对应的各复原系数的候补K1、K2…之中按照与第1图像数据G1表示的点像模糊状态所选择的复原系数。 
图8是在系数存储部存储、通过从与分别分类成多个种类的点像模糊状态对应的多个种类复原系数的候补中按照第1图像数据表示的点像模糊状态所选择的复原系数进一步根据该点像模糊状态进行校正而成的已校正的复原系数的、第3例复原系数取得装置70C。 
如图8所示，此复原系数取得装置70C具备有：候补系数存储部79，存储分别与预先分类成多个种类的点像模糊状态对应的各复原系数的候补K1、K2…；点像模糊状态取得部72，在摄像透镜10的分辨率高时，预先存储通过此分辨率高的摄像透镜投影到受光面21上的理想的点像P1的有关设计数据或理想点像状态的数据Dr；点像模糊状态取得部73，取得通过摄像透镜10投影在受光面21上的点像P1的模糊状态；复原系数取得部78C，在上述复原系数的候补K1、K2…之中选择与上述点像P1的模糊状态对应的复原系数(例如K1)，并取得表示通过利用上述点像P1的模糊状态及预先存储在理想点像存储部72中的点像的设计数据或理想点像状态数据即数据Dr的运算对该复原系数K1进行校正而成的且已校正的复原系数K1′的系数数据Dk(K1′)，将该系数数据Dk(K1′)表示的已校正的复原系数K1′存储在系数存储部30中。 
此复原系数取得装置70C，由点像模糊状态取得部73取得通过摄像透镜10投影到受光面21上的表示点像P1的模糊状态的模糊状态数据。复原系数取得部78B，在存储于候补系数存储部79的复原系数的候补K1、K2…之  中选择与上述点像P1的模糊状态对应的复原系数(例如K1)。进一步，取得通过使用上述点像P1的模糊状态、及预先存储在理想点像存储部72的点像设计数据或者理想点像状态数据的数据Dr的运算而对此复原系数K1进行校正而成的已校正的复原系数K1′，将此校正完的复原系数K1′存储在系数存储部30。 
即，在系数存储部30存储：通过对从与分为多个种类的点像的各模糊状态对应的多种复原系数的候补中按照第1图像数据G1表示的点像P1的模糊状态所选择出的复原系数(例如K1)进一步按照上述点像的模糊状态进行校正而成的已校正的复原系数K1′。 
另外，如图9所示，本发明的摄像系统也可为在上述摄像系统的框体内具备具有与复原系数取得装置70A、70B、70C等同样的功能的复原系数取得装置70或系数存储部30的摄像系统100′。 
进一步，如图10所示，本发明的摄像系统也可为具备信号处理部40′的摄像系统100″，该信号处理部40′内装有上述复原系数取得装置70或系数存储部30。即，将信号处理部40′也可设为兼备复原系数取得装置70。 
[关于各结构要素的变形例] 
以下，对摄像系统的结构要素的变形例进行说明。 
信号处理单元不限于将由受光面上的纵方向3像素以上及横方向3像素以上而成的涉及合计9像素以上的像素区域作为最小单位而进行复原处理的情况，也可以是将由未满纵方向3像素或者未满横方向3像素而成的涉及合计未满9像素的像素区域作为最小单位而进行复原处理。 
而且，信号处理部不限于通过使用表示点像模糊状态的第1图像数据的运算而求出复原系数的情况，也可通过其他方式求出复原系数。 
此外，信号处理部不限于将包含投影到受光面上的点像的全部有效区域的最小像素区域作为最小单位实施复原处理的情况，还可以将包含全部有效区域但不是最小的像素区域作为最小单位实施复原处理。 
而且，信号处理部不限于实施复原处理以使得第2图像数据表示的图像中的点像的有效区域的大小小于第1图像数据表示的图像中的点像的有效区域的大小的情况，还可以实施复原处理以使第1图像数据表示的图像  中的点像的有效区域的大小设为第2图像数据表示的图像中的点像的有效区域的大小以上。 
而且，具有上述摄像系统的本发明的摄像装置、便携终端设备、车载设备、及医疗设备等的要求景深深的装置，能够与上述同样地容易提高各装置中设置的摄像系统的对投影到受光面的光学像进行拍摄而得到的图像数据的质量。 
图11是表示搭载具有摄像系统的车载设备的汽车的图。 
如图11所示，具有本发明的摄像系统的车载设备502～504可以搭载于汽车501等上使用。该汽车501具有用于拍摄助手席侧的侧面死角范围的车外照相机的车载设备502、用于拍摄汽车1的后侧死角范围的车外照相机的车载设备503、安装在内视镜背面而用于拍摄与驾驶员相同的视野范围的车内照相机的车载设备504。 
图12是表示具有摄像系统的便携终端设备移动电话机的图。 
如图所示，该移动电话机510在移动电话机壳体511中配置有摄像系统512。 
图13是表示具有摄像系统的医疗设备即内窥镜装置的图。 
如图所示，观察生物组织525的该内窥镜装置520，在内窥镜装置520的前端部521配置有用于拍摄用照明光La照亮的生物组织525的摄像系统522。 
这样，如上所述的具有摄像系统的本发明的摄像装置、便携终端设备、车载设备、及医疗设备，容易与以往公知的摄像装置、便携终端设备、车载设备、及医疗设备具有的现有摄像系统进行更换。即，以往公知的摄像装置、便携终端设备、车载设备、及医疗设备的装置尺寸或形状等不变更，而将这些装置具有的现有摄像系统更换为本发明的摄像系统，也可以构成本申请发明的摄像装置、便携终端设备、车载设备、及医疗设备。 
此外，本发明的摄像系统可以构成为仅通过由轴对称形状构成的光学部件将被摄体的光学像投影到受光面上，或者可以构成为通过由非轴对称形状构成的光学部件将被摄体的光学像投影到受光面上。而且，上述摄像  透镜优选景深深的透镜。即，即使由于被摄体的移动、或摄像透镜的焦点调节等，被摄体的光学像投影到受光面上的状态产生变化，也优选将摄像透镜和摄像元件构成为投影到受光面上的点像的模糊状态的变化减少。更具体地，优选将摄像透镜和摄像元件构成为投影到受光面上的点像的有效区域的大小及对比度的变化减少。但是，摄像系统不限于具备景深深的摄像透镜的情况，也可以具备景深浅的摄像透镜。 
此外，用于上述摄像系统的摄像元件可以设为CCD元件、或CMOS元件。

Claims (13)

1.一种摄像系统，其特征在于，具备：
摄像透镜；
摄像元件，具有通过二维状排列多个受光像素而成的受光面，对通过上述摄像透镜投影到上述受光面上的被摄体的光学像进行拍摄而输出表示该被摄体的第1图像数据；
信号处理单元，对上述第1图像数据实施生成与在上述摄像透镜的分辨率高时从上述摄像元件输出的第1图像数据同等的第2图像数据的复原处理，
上述摄像透镜和摄像元件构成为：对从X、Y、Z方向的任意位置通过上述摄像透镜投影到上述受光面上的点像，也使得该点像的有效区域的最大直径成为涉及上述受光面像素的3像素以上的大小，
上述信号处理单元利用与上述第1图像数据表示的点像状态对应的复原系数实行上述复原处理。
2.根据权利要求1所述的摄像系统，其特征在于，
上述摄像透镜构成为：对从离开该摄像透镜的焦距10倍以上的X、Y、Z方向的任意位置通过上述摄像透镜投影到上述受光面上的被摄体的光学像，与该光学像有关的MTF特性的值也成为正。
3.根据权利要求1所示的摄像系统，其特征在于，
上述信号处理单元将由上述受光面上的纵向3像素以上及横向3像素以上构成的涉及合计9像素以上的像素区域作为最小单位进行上述复原处理。
4.根据权利要求1所述的摄像系统，其特征在于，
上述信号处理单元将包含投影到上述受光面上的点像的有效区域的全部的最小像素区域作为最小单位实施上述复原处理。
5.根据权利要求1所述的摄像系统，其特征在于，
上述信号处理单元进行上述复原处理，使得上述第2图像数据表示的图像中的上述点像的有效区域的大小小于上述第1图像数据表示的图像中的点像的有效区域的大小。
6.根据权利要求1所述的摄像系统，其特征在于，
按每个摄像系统对该摄像系统单独求出上述复原系数。
7.根据权利要求1所述的摄像系统，其特征在于，
上述复原系数是从与分为多个种类的点像的各状态对应的各复原系数的候补中按照上述第1图像数据表示的点像的状态所选择的。
8.根据权利要求1所述的摄像系统，其特征在于，
上述复原系数是通过从与分为多个种类的该点像的各状态对应的多种复原系数的候补中按照上述第1图像数据表示的该点像的状态所选择出的复原系数进一步根据点像的状态进行校正而成的。
9.根据权利要求1所述的摄像系统，其特征在于，
还具备取得上述复原系数的复原系数取得单元。
10.一种摄像装置，具备，权利要求1所述的摄像系统。
11.一种便携终端设备，具备，权利要求1所述的摄像系统。
12.一种车载设备，具备，权利要求1所述的摄像系统。
13.一种医疗设备，具备，权利要求1所述的摄像系统。
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