JP2001257932A - Image pickup device - Google Patents

Image pickup device

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JP2001257932A
JP2001257932A JP2000065038A JP2000065038A JP2001257932A JP 2001257932 A JP2001257932 A JP 2001257932A JP 2000065038 A JP2000065038 A JP 2000065038A JP 2000065038 A JP2000065038 A JP 2000065038A JP 2001257932 A JP2001257932 A JP 2001257932A
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JP
Japan
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image
focus
lens
image signal
focal position
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Application number
JP2000065038A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Taku Kaneko
金子  卓
Nobuaki Kawahara
伸章 川原
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Denso Corp
Original Assignee
Denso Corp
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Filing date
Publication date
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00Simple or compound lenses
    • G02B3/12Fluid-filled or evacuated lenses
    • G02B3/14Fluid-filled or evacuated lenses of variable focal length

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve accuracy in image processing without complicating configuration. SOLUTION: A full focus image pickup device has a high-speed focus control mechanism 10, focus control driving circuit 20 for driving that mechanism, image pickup means 30, microcomputer 40 and liquid crystal display 50. The high-speed focus control mechanism 10 is provided with a variable focus lens 11 capable of varying a focal position corresponding to an observation object and a piezoelectric actuator 12 for changing that focal position. The focal position of the variable focus lens 11 is detected by a sensor 25. Among plural image signals, the most focused image signal is decided for each pixel by a CPU 42 inside the microcomputer 40, one full focus image is generated, and three-dimensional map data are generated on the basis of distance information to the observation object. At such a time, concerning image data stored in an image memory 41, the CPU 42 corrects the magnification change or optical aberration of image caused by an optical image pickup system.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光学顕微鏡、電子
顕微鏡、光学望遠鏡、電子カメラなどの撮像装置の技術
分野に属し、特に合焦点技術を改善するための撮像装置
に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention belongs to the technical field of imaging devices such as an optical microscope, an electron microscope, an optical telescope, and an electronic camera, and more particularly to an imaging device for improving a focusing technique.

【0002】[0002]

【従来の技術】この種の従来技術としては、本願出願人
により出願済みの特開平9−230252号公報の「カ
メラ装置」が知られており、同公報では、焦点位置を高
速で移動して被写界深度の深い像を得る技術が開示され
ている。このカメラ装置は、観察対象に対する焦点位置
(レンズから合焦点面までの距離、本明細書では焦点距
離とも言う)を高速で往復させつつ画像をリアルタイム
で表示し、焦点の合った輪郭が鮮明な部分だけが網膜残
像として視認されることを利用している。同技術は、生
理的な残像現象を巧妙に利用して観察対象の全体に渡っ
て焦点が合った画像をリアルタイムで観察者に視認させ
ることができるので、観察対象に動きがある場合などに
も好適な撮像技術であった。
2. Description of the Related Art As a prior art of this kind, there is known a "camera device" disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-230252 filed by the present applicant. A technique for obtaining an image with a large depth of field has been disclosed. This camera device displays an image in real time while reciprocating a focal position (a distance from a lens to a focal plane, also referred to as a focal length in this specification) with respect to an observation target at a high speed, and has a sharp focused outline. The fact that only a portion is visually recognized as a retinal afterimage is used. This technology makes it possible for an observer to view an image that is in focus over the entire observation target in real time by using the physiological afterimage phenomenon cleverly. It was the preferred imaging technique.

【0003】また、本願出願人は、上記カメラ装置の技
術を適用した「全焦点撮像装置」として、特願平11−
300467号を出願している。この特願平11−30
0467号では、画像処理技術を用いることにより、観
察対象の全ての部分について焦点が合った完全な全焦点
画像をリアルタイム或いは準リアルタイムで得る技術を
提案している。特に同装置では、焦点が合っていないぼ
やけた画像が網膜に結像されてしまい、それ故に完全な
全焦点画像が得られず視覚上でもややぼやけた感じがす
る、といったそれまでの問題を解消するようにしてい
た。
The applicant of the present application has proposed, as an “omnifocal imaging device” to which the above-mentioned camera device technology is applied, as disclosed in Japanese Patent Application No.
No. 300467 has been filed. This Japanese Patent Application No. 11-30
No. 0467 proposes a technique for obtaining a complete omnifocal image in which all the portions to be observed are focused in real time or near real time by using an image processing technique. In particular, the device eliminates the previous problem of blurred images that are out of focus on the retina, which makes it impossible to obtain a perfect omnifocal image and makes the image appear somewhat blurry. I was trying to do it.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開平9−230252号公報で開示された可変焦点レン
ズを用いる場合を含め、撮像レンズなどの光学特性を変
化させて焦点距離を変化させる場合、観察物と撮像素子
上の像との倍率が焦点距離によって変化するため、観察
物上の同一点が撮像素子から出力される画像データの同
一座標に位置しないといった問題があった。更に、光学
特性の変化による収差の発生などにより、画像が湾曲し
たりするといった問題があった。全焦点画像や3次元マ
ップの精度を向上するためには、焦点距離によって倍率
が変化することのないテレセントリックレンズ系が必要
となるが、このテレセントリックレンズは非常に大型で
且つ高価であるといった問題があった。
However, when the focal length is changed by changing the optical characteristics of the imaging lens or the like, including the case of using the variable focus lens disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-230252. Since the magnification of the object and the image on the image sensor changes depending on the focal length, there is a problem that the same point on the observation object is not located at the same coordinate of the image data output from the image sensor. Further, there is a problem that an image is curved due to occurrence of aberration due to a change in optical characteristics. In order to improve the accuracy of an all-focus image or a three-dimensional map, a telecentric lens system whose magnification does not change with the focal length is required. However, this telecentric lens is very large and expensive. there were.

【0005】本発明は、上記問題に着目してなされたも
のであって、その目的とするところは、構成の煩雑化を
招くことなく、画像処理の精度を向上させることができ
る撮像装置を提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide an imaging apparatus capable of improving the accuracy of image processing without complicating the configuration. It is to be.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】請求項1に記載の撮像装
置では、可変焦点レンズは観察対象に対する焦点位置が
可変であり、アクチュエータによりその焦点位置が高速
で変更される。撮像手段は、可変焦点レンズを通して結
像した実像を画素毎の画像信号として出力する。その
際、焦点位置の変更に伴って撮像手段より得られる複数
枚分の画像信号が画像メモリに格納される。画像処理手
段は、前記複数枚の画像信号のうち最も焦点が合ってい
るものを画素毎に判定しこの観察対象の各部に焦点が合
った一枚の全焦点画像と、観察対象の立体形状を示す一
つの立体数値モデルとのうち、少なくとも何れか一方を
生成する。また、検出手段は、前記アクチュエータによ
り変更される可変焦点レンズの焦点位置を検出し、補正
手段は、該検出した可変焦点レンズの焦点位置に基づ
き、前記複数枚の画像信号を個々に補正する。
According to the first aspect of the present invention, the variable focus lens has a variable focus position with respect to an observation target, and the focus position is changed at a high speed by an actuator. The imaging unit outputs a real image formed through the variable focus lens as an image signal for each pixel. At this time, image signals for a plurality of images obtained by the imaging means with the change of the focal position are stored in the image memory. The image processing means determines, for each pixel, the most in-focus one of the plurality of image signals, and determines one all-in-focus image in which each part of the observation target is in focus, and the three-dimensional shape of the observation target. At least one of the one three-dimensional numerical model shown is generated. The detecting means detects the focal position of the variable focus lens changed by the actuator, and the correcting means individually corrects the plurality of image signals based on the detected focal position of the variable focus lens.

【0007】要するに、上記の如く焦点位置を可変とす
る可変焦点レンズでは、倍率変化に際して同一点の座標
がずれたり、光学収差により画像が湾曲したりするとい
った問題があるが、本発明によれば、可変焦点レンズの
焦点位置に基づいて画像信号が適宜補正されるため、倍
率変化や光学収差(歪み)に起因する諸問題が解消され
る。またこの場合、大型で且つ高価なテレセントリック
レンズを要することもない。その結果、構成の煩雑化を
招くことなく、画像処理の精度を向上させることができ
る。
[0007] In short, in the variable focus lens in which the focal position is variable as described above, there is a problem that the coordinates of the same point are shifted when the magnification is changed, or the image is curved due to the optical aberration. Since the image signal is appropriately corrected based on the focal position of the varifocal lens, various problems due to a change in magnification and optical aberration (distortion) are eliminated. Also, in this case, there is no need for a large and expensive telecentric lens. As a result, the accuracy of image processing can be improved without complicating the configuration.

【0008】前記補正手段による画像信号の補正として
は、 ・請求項2に記載したように、画像信号の各画素が持つ
座標に可変焦点レンズの倍率の逆数をかけることにより
画像信号を補正する。 ・請求項3に記載したように、可変焦点レンズの光学特
性の変化に伴う収差を予め定量化しておき、該定量化し
たデータに基づいて画像信号を補正する。といった手法
を用いると良い。上記各々の補正手法により、可変焦点
レンズの焦点位置に応じて画像信号が座標変換され、倍
率変化や光学収差の影響のない画像信号が取得できる。
The correction of the image signal by the correction means is as follows. The image signal is corrected by multiplying the coordinates of each pixel of the image signal by the reciprocal of the magnification of the varifocal lens. As described in the third aspect, the aberration accompanying the change in the optical characteristics of the variable focus lens is quantified in advance, and the image signal is corrected based on the quantified data. It is good to use such a method. According to each of the above-described correction methods, the image signal is subjected to coordinate conversion according to the focal position of the variable focus lens, and an image signal free from a change in magnification or an influence of optical aberration can be obtained.

【0009】本発明を好適に実現する上で、可変焦点レ
ンズ及びアクチュエータが請求項4の如く構成されると
良い。すなわち、可変焦点レンズは、表裏の差圧によっ
て曲率が可変な透明弾性膜を有し、この透明弾性膜によ
って形成される内部空間に透明液体が封入されてなる液
封レンズである一方、アクチュエータは、可変焦点レン
ズに一体化され、駆動電圧の印加に伴い前記透明液体に
圧力を加える圧電アクチュエータである。かかる場合、
焦点位置の異なる複数枚の画像信号が高速に得られるた
め、焦点位置の異なる観察対象の像を高速に取り込む場
合に非常に有効となる。
In a preferred embodiment of the present invention, the varifocal lens and the actuator may be configured as described in claim 4. That is, the varifocal lens is a liquid ring lens having a transparent elastic film whose curvature is variable by the pressure difference between the front and back sides, and a transparent liquid is sealed in an internal space formed by the transparent elastic film, while the actuator is And a piezoelectric actuator that is integrated with the varifocal lens and applies pressure to the transparent liquid when a drive voltage is applied. In such cases,
Since a plurality of image signals having different focal positions can be obtained at high speed, it is very effective when capturing images of an observation target having different focal positions at high speed.

【0010】また、上述した発明は、検出手段により可
変焦点レンズの焦点位置を検出し、その検出結果(焦点
位置)に基づいて画像信号を補正する旨を説明したが、
より具体的な構成として請求項5〜7に記載の発明が考
えられる。すなわち、 ・請求項5の発明では、検出手段は、アクチュエータに
印加される駆動電圧を計測する電圧センサであり、補正
手段は、電圧センサの計測値に基づいて画像信号を補正
する。 ・請求項6の発明では、検出手段は、アクチュエータの
電荷の注入量及び放電量を計測する電荷量センサであ
り、補正手段は、電荷量センサの測定値に基づいて画像
信号を補正する。 ・請求項7の発明では、検出手段は、アクチュエータの
変位量を直接計測する変位センサであり、補正手段は、
変位センサの測定値に基づいて画像信号を補正する。
In the above-mentioned invention, the description has been given of the effect that the focus position of the varifocal lens is detected by the detection means and the image signal is corrected based on the detection result (focal position).
The invention according to claims 5 to 7 can be considered as a more specific configuration. That is, in the invention of claim 5, the detecting means is a voltage sensor for measuring a driving voltage applied to the actuator, and the correcting means corrects the image signal based on the measurement value of the voltage sensor. In the invention according to claim 6, the detecting means is a charge amount sensor for measuring the amount of charge injected and the amount of discharge of the actuator, and the correcting means corrects the image signal based on the measured value of the charge amount sensor. In the invention of claim 7, the detecting means is a displacement sensor for directly measuring the displacement amount of the actuator, and the correcting means is
The image signal is corrected based on the measured value of the displacement sensor.

【0011】何れの場合にも、アクチュエータの駆動状
態に応じて可変焦点レンズの焦点位置を検出することが
でき、その検出結果に基づく補正により画像処理を精度
良く実施することができる。
In any case, the focal position of the varifocal lens can be detected in accordance with the driving state of the actuator, and image processing can be performed with high accuracy by correction based on the detection result.

【0012】また、請求項8に記載の発明では、前記画
像処理手段は、焦点位置の異なる複数枚分の画像信号を
撮像手段より取り込むためのロジックと、可変焦点レン
ズの焦点位置に基づき、前記複数枚の画像信号を個々に
補正するためのロジックと、補正後の画像信号から焦点
の合っている画素を抽出すると共に、その画素が存在す
る画像信号から観察対象までの距離情報を演算するため
のロジックと、前記抽出した焦点の合っている画素から
全焦点画像データを再構築するためのロジックと、前記
演算した距離情報から立体数値モデルを生成するための
ロジックと、を有する。
Further, in the invention according to claim 8, the image processing means includes a logic for taking in a plurality of image signals having different focal positions from an image pickup means and a focal position of a varifocal lens based on the logic. Logic for individually correcting a plurality of image signals, extracting a focused pixel from the corrected image signal, and calculating distance information from the image signal where the pixel exists to the observation target. , Logic for reconstructing all-focus image data from the extracted in-focus pixels, and logic for generating a three-dimensional numerical model from the calculated distance information.

【0013】本構成によれば、各ロジックを実現するこ
とにより、可変焦点レンズの倍率変化や光学収差の影響
の無い全焦点画像や立体数値モデルが生成でき、実用性
の高い撮像装置が実現できる。
According to this configuration, by realizing each logic, it is possible to generate an omnifocal image and a three-dimensional numerical model free from the influence of the change in magnification of the variable focus lens and the optical aberration, thereby realizing a highly practical imaging apparatus. .

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】本実施の形態では発明を全焦点撮
像装置に具体化しており、本撮像装置では、焦点位置の
異なる複数枚の画像信号を取り込むと共にその複数枚の
画像信号を適宜合成し、画像表示範囲の全体に焦点が合
った全焦点画像を生成することとしている。また加え
て、本撮像装置では、前記複数枚の画像信号と観察対象
物までの距離情報とに基づいて観察対象物の3次元マッ
プデータ(立体数値モデル)を生成する。以下、その詳
細を図面を用いて説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the present embodiment, the invention is embodied in an all-focus image pickup apparatus. In this image pickup apparatus, a plurality of image signals having different focal positions are taken in and the plurality of image signals are appropriately synthesized. Then, an omnifocal image in which the entire image display range is in focus is generated. In addition, the imaging apparatus generates three-dimensional map data (a three-dimensional numerical model) of the observation target based on the plurality of image signals and information on the distance to the observation target. Hereinafter, the details will be described with reference to the drawings.

【0015】図1には本実施の形態における全焦点撮像
装置の全体構成を示す。図1において、全焦点撮像装置
は、高速焦点調節機構10と、それを駆動する焦点調節
駆動回路20と、撮像手段30と、マイコン(マイクロ
コンピュータ)40と、表示装置としての液晶ディスプ
レイ50とを有する。
FIG. 1 shows the overall configuration of an all-focus image pickup apparatus according to the present embodiment. In FIG. 1, the omnifocal imaging device includes a high-speed focus adjustment mechanism 10, a focus adjustment drive circuit 20 for driving the same, an imaging unit 30, a microcomputer (microcomputer) 40, and a liquid crystal display 50 as a display device. Have.

【0016】高速焦点調節機構10は主要な構成とし
て、観察対象物に対する焦点位置が可変である可変焦点
レンズ11と、可変焦点レンズ11の焦点位置(合焦点
面Fの位置)を変更する複数個の圧電アクチュエータ1
2と、固定レンズ13とを備え、それらが一体に組み付
けられている。
The main components of the high-speed focus adjusting mechanism 10 are a varifocal lens 11 whose focal position with respect to the observation target is variable, and a plurality of varifocal lenses which change the focal position of the varifocal lens 11 (position of the focal plane F). Piezoelectric actuator 1
2 and a fixed lens 13 which are assembled together.

【0017】ここで、可変焦点レンズ11は、表裏の差
圧によって曲率が可変な一対の透明弾性膜11a,11
bを備え、この透明弾性膜11a,11b間の内部空間
11cに透明液体が封入されてなる液封レンズである。
また、圧電アクチュエータ12は、前記透明弾性膜11
aの周縁部に等間隔で配設され、それぞれ複数の圧電素
子(バイモルフ素子)12aが積層されてなる。前記複
数の圧電素子12aはその外周部がケース12bに固定
され、中心部が出力軸12cに固定されている。そし
て、複数の圧電アクチュエータ12が同時に駆動されて
出力軸12cが往復運動すると、透明液体の圧力変化に
より透明弾性膜11a,11bの曲率が変化し、可変焦
点レンズ11の焦点位置(倍率)が変わる。
Here, the varifocal lens 11 has a pair of transparent elastic films 11a and 11 whose curvatures are variable by the pressure difference between the front and back sides.
b is a liquid-sealed lens in which a transparent liquid is sealed in an internal space 11c between the transparent elastic films 11a and 11b.
Further, the piezoelectric actuator 12 is provided with the transparent elastic film 11.
A plurality of piezoelectric elements (bimorph elements) 12a are arranged at equal intervals on the periphery of the element a. The outer peripheral portions of the plurality of piezoelectric elements 12a are fixed to the case 12b, and the central portions are fixed to the output shaft 12c. When the plurality of piezoelectric actuators 12 are simultaneously driven and the output shaft 12c reciprocates, the curvature of the transparent elastic films 11a and 11b changes due to a change in the pressure of the transparent liquid, and the focal position (magnification) of the varifocal lens 11 changes. .

【0018】この可変焦点レンズ11は、レンズ形状を
変えて焦点位置を高速で変化させることができるので、
焦点位置の異なる観察物の像を高速で取り込む場合に非
常に有効となる。なお、高速焦点調節機構10の構成
は、前述の特開平9−230252号公報等にも詳細に
記載されており、その構成が本実施の形態において適用
できる。
This varifocal lens 11 can change the focal position at high speed by changing the lens shape.
This is very effective when capturing images of observation objects having different focus positions at high speed. The configuration of the high-speed focus adjustment mechanism 10 is also described in detail in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-230252, and the configuration can be applied in the present embodiment.

【0019】焦点調節駆動回路20は、圧電アクチュエ
ータ12に適正な電圧を印加して前記複数の圧電素子1
2aを変位させ、全ての圧電アクチュエータ12を同期
して駆動する。この焦点調節駆動回路20により圧電ア
クチュエータ12が駆動される時、圧電アクチュエータ
12の駆動状態に応じて可変焦点レンズ11の焦点位置
が変化する。可変焦点レンズ11の焦点位置はセンサ2
5により検出される。圧電アクチュエータ12の駆動の
周期、すなわち可変焦点レンズ11の焦点位置が変化す
る周期は、リアルタイムに全焦点画像又は3次元マップ
が得られる周期であれば良く、例えば1/30秒毎に1
枚の全焦点画像を生成する装置では、その1/30秒以
内に、焦点位置の異なる所望の枚数の画像信号が取得で
きるよう圧電アクチュエータ12が高速に駆動される。
実際には、圧電アクチュエータ12は数100Hzの振
動数で駆動され、このとき、焦点位置は数マイクロ秒〜
数10マイクロ秒毎に少しずつ変更される。
The focus adjustment drive circuit 20 applies an appropriate voltage to the piezoelectric actuator 12 to
2a is displaced, and all the piezoelectric actuators 12 are driven synchronously. When the piezoelectric actuator 12 is driven by the focus adjustment drive circuit 20, the focal position of the varifocal lens 11 changes according to the driving state of the piezoelectric actuator 12. The focus position of the varifocal lens 11 is the sensor 2
5 is detected. The drive cycle of the piezoelectric actuator 12, that is, the cycle in which the focal position of the variable focus lens 11 changes, may be a cycle in which an all-focus image or a three-dimensional map is obtained in real time.
In an apparatus for generating one omnifocal image, the piezoelectric actuator 12 is driven at high speed so that a desired number of image signals having different focal positions can be obtained within 1/30 second.
In practice, the piezoelectric actuator 12 is driven at a frequency of several hundreds of Hz, and at this time, the focal position is several microseconds to
It is changed little by little every several tens of microseconds.

【0020】センサ25は、可変焦点レンズ11の焦点
位置が検出できれば如何なる構成であっても良いが、本
実施の形態では以下の(1)〜(3)の何れかの構成を
採用する。すなわち、 (1)センサ25として電圧センサを設ける。この場
合、焦点調節駆動回路20から圧電アクチュエータ12
に印加される電圧を電圧センサで計測することにより、
可変焦点レンズ11の焦点位置を検出する。 (2)センサ25として電荷量センサを設ける。この場
合、圧電アクチュエータ12の電荷の注入量及び放電量
を電荷量センサで計測することにより、可変焦点レンズ
11の焦点位置を検出する。 (3)センサ25として変位センサを設ける。この場
合、圧電アクチュエータ12の変位量を変位センサで直
接計測することにより、可変焦点レンズ11の焦点位置
を検出する。なお、アクチュエータ変位量を直接計測す
るための上記(3)の構成は、本願出願人により出願済
みの特願平10−246198号に詳細に記載されてお
り、その概略として、圧電アクチュエータ12に歪み検
出部を内蔵してアクチュエータ駆動時の歪み量(湾曲
量)を検出し、その歪み量を変位量に換算する。
The sensor 25 may have any configuration as long as it can detect the focal position of the varifocal lens 11. In this embodiment, any one of the following configurations (1) to (3) is employed. That is, (1) a voltage sensor is provided as the sensor 25. In this case, the focus adjustment drive circuit 20 sends the piezoelectric actuator 12
By measuring the voltage applied to the
The focus position of the varifocal lens 11 is detected. (2) A charge amount sensor is provided as the sensor 25. In this case, the focus position of the varifocal lens 11 is detected by measuring the charge injection amount and the discharge amount of the piezoelectric actuator 12 with a charge amount sensor. (3) A displacement sensor is provided as the sensor 25. In this case, the focal position of the varifocal lens 11 is detected by directly measuring the amount of displacement of the piezoelectric actuator 12 with a displacement sensor. The configuration (3) for directly measuring the actuator displacement is described in detail in Japanese Patent Application No. 10-246198 filed by the present applicant. A detection unit is incorporated to detect the amount of distortion (bending amount) when the actuator is driven, and convert the amount of distortion to a displacement amount.

【0021】要するに、可変焦点レンズ11の焦点位置
は同レンズ11のレンズ形状で決まり、そのレンズ形状
は圧電アクチュエータ12の変位量で決まる。上記
(1)〜(3)のセンサは何れも間接的又は直接的にレ
ンズ形状を計測するものであるから、その計測により可
変焦点レンズ11の焦点位置を検出することができる。
In short, the focal position of the varifocal lens 11 is determined by the lens shape of the lens 11, and the lens shape is determined by the displacement of the piezoelectric actuator 12. Since the sensors (1) to (3) all measure the lens shape indirectly or directly, the focal position of the varifocal lens 11 can be detected by the measurement.

【0022】因みに、上記(1)の電圧センサでは安価
であるというメリットがある。また、(2)の電荷量セ
ンサ及び(3)の変位センサでは、圧電アクチュエータ
12の変位量を正確に検出でき、3次元マップを構築す
る際の奥行き方向の精度が向上するというメリットがあ
る。つまりこの場合、上記(1)〜(3)の各センサを
比べれば、(3)→(2)→(1)の順にコストが安く
なる反面、(1)→(2)→(3)の順に焦点位置(ア
クチュエータ変位量)の検出精度が上がる。
Incidentally, the voltage sensor of the above (1) has an advantage that it is inexpensive. Further, the charge amount sensor of (2) and the displacement sensor of (3) have an advantage that the displacement amount of the piezoelectric actuator 12 can be accurately detected, and the accuracy in the depth direction when constructing a three-dimensional map is improved. That is, in this case, comparing the sensors (1) to (3), the cost is reduced in the order of (3) → (2) → (1), but the cost is reduced in the order of (1) → (2) → (3). The detection accuracy of the focal position (actuator displacement amount) increases in order.

【0023】撮像手段30は、固体撮像素子31と撮像
素子駆動回路32とから構成され、可変焦点レンズ11
を通して結像した画像を画素毎の画像信号として出力す
る機能を持つ。固体撮像素子31の画像面は、高速焦点
調節機構10に対して、可変焦点レンズ11及び固定レ
ンズ13を通して観察対象物が結像する位置に固定され
ている。固体撮像素子31としては、CCDイメージセ
ンサ、CMOSイメージセンサ、CMDイメージセンサ
などが用いられる。特にビデオレート以上で画像データ
を出力できる高速駆動型のイメージセンサを用いれば、
リアルタイム表示が可能な短い時間で全焦点画像並びに
3次元マップが生成できる。
The image pickup means 30 comprises a solid-state image pickup device 31 and an image pickup device drive circuit 32.
Has the function of outputting an image formed through the device as an image signal for each pixel. The image plane of the solid-state imaging device 31 is fixed to a position where the observation target forms an image with respect to the high-speed focus adjustment mechanism 10 through the variable focus lens 11 and the fixed lens 13. As the solid-state imaging device 31, a CCD image sensor, a CMOS image sensor, a CMD image sensor, or the like is used. In particular, if a high-speed drive type image sensor that can output image data at a video rate or higher is used,
An omnifocal image and a three-dimensional map can be generated in a short time that allows real-time display.

【0024】マイコン40は、撮像手段30からの画像
信号を複数枚分に渡って格納可能な画像メモリ41と、
これら複数枚分の画像信号に基づく画像処理を実施する
と共に、全焦点撮像装置全体を制御するCPU42とを
備える。画像メモリ41はフレームメモリであって、画
像信号を一枚ずつまとめて高速に入出力することができ
る。
The microcomputer 40 comprises: an image memory 41 capable of storing image signals from the image pickup means 30 over a plurality of image signals;
It includes a CPU 42 that performs image processing based on the image signals of the plurality of sheets and controls the entire omnifocal imaging device. The image memory 41 is a frame memory, and can collectively input and output image signals one by one at a high speed.

【0025】CPU42は、焦点調節駆動回路20、撮
像手段30、画像メモリ41及び液晶ディスプレイ50
を適正に同期させて制御する機能を持つ。また、CPU
42は、焦点調節駆動回路20を介して圧電アクチュエ
ータ12の駆動を制御し、その際得られた複数枚分の画
像信号のうち最も焦点が合っているものを画素毎に判定
して抽出し一枚の全焦点画像を生成すると共に、各画素
の平面位置情報とその画素が存在する観察対象物までの
距離情報とに基づいて3次元マップデータ(3次元立体
数値モデル)を生成する。
The CPU 42 includes a focus adjustment drive circuit 20, an image pickup means 30, an image memory 41, and a liquid crystal display 50.
It has a function to control by properly synchronizing. Also, CPU
Reference numeral 42 controls the driving of the piezoelectric actuator 12 via the focus adjustment drive circuit 20, and determines and extracts, for each pixel, the most in-focus image signal among a plurality of image signals obtained at that time. In addition to generating all omnifocal images, three-dimensional map data (three-dimensional three-dimensional numerical model) is generated based on planar position information of each pixel and information on the distance to the observation target where the pixel exists.

【0026】液晶ディスプレイ50は、画像データを表
示するための表示装置であり、マイコン40内のCPU
42により提供される3次元マップ及び全焦点画像を表
示する。
The liquid crystal display 50 is a display device for displaying image data.
Display the three-dimensional map and omnifocal image provided by.

【0027】図2は、全焦点撮像装置について機能毎に
ブロック化して示す図面であり、図2を用い各機能を説
明する。特にマイコン40内のCPU42により実現さ
れる画像処理部の構成について詳細に説明する。
FIG. 2 is a block diagram showing the omnifocal image pickup device by function, and each function will be described with reference to FIG. In particular, the configuration of the image processing unit realized by the CPU 42 in the microcomputer 40 will be described in detail.

【0028】画像処理部において、撮像光学系の固体撮
像素子31にて撮像された画像データが画像データ取り
込みロジック部43に取り込まれる。このとき、画像デ
ータ取り込みロジック部43は、焦点調節駆動回路20
に対して焦点位置を順次変更する旨の制御信号を出力す
ると共に、センサ25より入力される焦点位置情報に基
づき、画像データ毎に焦点位置と対応させながら画像デ
ータを画像メモリ41に順次格納する。つまり、この画
像データ取り込みロジック部43では、焦点調節駆動回
路20に同期して、焦点位置の異なる複数枚の画像デー
タが取り込まれる。
In the image processing section, image data picked up by the solid-state image pickup device 31 of the image pickup optical system is fetched by the image data fetching logic section 43. At this time, the image data capturing logic unit 43
, A control signal for sequentially changing the focal position is output, and the image data is sequentially stored in the image memory 41 while corresponding to the focal position for each image data based on the focal position information input from the sensor 25. . That is, the image data capturing logic unit 43 captures a plurality of image data having different focal positions in synchronization with the focus adjustment driving circuit 20.

【0029】画像データ補正ロジック部44は、前記の
如く取り込まれ画像メモリ41に格納された画像データ
について、撮像光学系に起因する画像の倍率変化や光学
的な収差の補正を行い、補正後の画像データを再び画像
メモリ41に格納する。但し、画像データ補正の詳細は
後述する。
The image data correction logic unit 44 corrects a change in magnification of an image or an optical aberration caused by the imaging optical system with respect to the image data fetched and stored in the image memory 41 as described above, and The image data is stored in the image memory 41 again. However, details of the image data correction will be described later.

【0030】また、全焦点演算ロジック部45は、画像
メモリ41に格納されている多数の画像データを用い、
焦点位置の異なる複数の画像データ(補正後の画像デー
タ)から焦点の合っている画素を抽出すると共に、その
画素が存在する画像データから観察対象物までの距離情
報を演算する。このとき、同ロジック部45は、各画素
における輝度値と焦点位置との相関関係に基づいて合焦
点の判定を行う。この合焦点判定についても後述する。
なお、前記距離情報の演算は、画像データが持つ焦点位
置情報を参照して行われると良い。
The all-focus calculation logic unit 45 uses a large number of image data stored in the image memory 41,
A focused pixel is extracted from a plurality of image data (corrected image data) having different focal positions, and distance information to the observation target is calculated from the image data in which the pixel exists. At this time, the logic unit 45 determines the focal point based on the correlation between the luminance value and the focal position of each pixel. This focus determination will be described later.
The calculation of the distance information may be performed with reference to the focal position information of the image data.

【0031】3次元マップ生成ロジック部46は、観察
対象物までの距離情報に基づいて、観察対象物の立体数
値モデルとして3次元マップデータを生成する。例え
ば、3次元情報を等高線で表す等の処理を行う。そし
て、その3次元マップデータを表示装置(液晶ディスプ
レイ50)に表示させる。
The three-dimensional map generation logic unit 46 generates three-dimensional map data as a three-dimensional numerical model of the observation target based on information on the distance to the observation target. For example, processing such as expressing three-dimensional information by contour lines is performed. Then, the three-dimensional map data is displayed on the display device (the liquid crystal display 50).

【0032】また、画像データ再構築ロジック部47
は、全焦点演算ロジック部45において全ての画素につ
いて合焦点判定が完了すると、新たに一枚の全焦点画像
(観察対象物の全ての部分に焦点が合った画像)を再構
築する。そして、その全焦点画像を表示装置(液晶ディ
スプレイ50)に表示させる。
The image data reconstruction logic unit 47
When the all-focus calculation logic unit 45 completes the in-focus determination for all pixels, it reconstructs a single all-focus image (an image in which all parts of the observation target are focused). Then, the omnifocal image is displayed on the display device (the liquid crystal display 50).

【0033】次いで、画像データ補正ロジック部44で
の補正内容として倍率変化に関する補正について図3を
用いて説明する。なお、図3は、観察対象物までの焦点
距離が変更される時の画像の倍率変化の様子を示す。図
3の(a)、(b)、(c)は焦点距離が長、中間、短
である場合をそれぞれ示し、このうち(b)を基準にし
て(a)は低倍率、(c)は高倍率であるとする。
Next, correction relating to a change in magnification as correction content in the image data correction logic unit 44 will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows how the magnification of the image changes when the focal length to the observation target is changed. 3A, 3B, and 3C show the cases where the focal length is long, intermediate, and short, respectively. Of these, (a) is a low magnification based on (b), and (c) is It is assumed that the magnification is high.

【0034】すなわち、図3(a)のように、焦点距離
が長くなった場合には倍率が低くなり、逆に図3(c)
のように、焦点距離が短くなった場合には倍率が高くな
る。この場合、画像データ補正ロジック部44では、セ
ンサ25より得られる焦点位置情報に基づいて可変焦点
レンズ11の倍率を認識し、画像データの個々の画素が
持つ座標に可変焦点レンズ11の倍率の逆数をかけて画
像データを補正する。これにより、観察対象物が固体撮
像素子31上にどのような倍率で結像しているかに応じ
て画像データが補正され、常に同じ倍率で観察対象物が
画像データとして得られるようになる。
That is, as shown in FIG. 3A, when the focal length becomes longer, the magnification becomes lower, and conversely, as shown in FIG.
When the focal length is shortened as in the above, the magnification increases. In this case, the image data correction logic unit 44 recognizes the magnification of the varifocal lens 11 based on the focal position information obtained from the sensor 25 and stores the reciprocal of the magnification of the varifocal lens 11 in the coordinates of each pixel of the image data. To correct the image data. As a result, the image data is corrected according to the magnification at which the observation target is formed on the solid-state imaging device 31, and the observation target is always obtained as the image data at the same magnification.

【0035】また、本撮像装置の撮像光学系(可変焦点
レンズ11)では、図4に示すような光学収差が生じる
と考えられる。そこで、画像データ補正ロジック部44
では、撮像光学系が発生する光学収差を焦点位置などの
パラメータに基づき予め定量化しておき、前記定量化し
たデータに基づいて画像データを補正する。つまり、同
補正では、可変焦点レンズ11の焦点位置の変化に伴う
光学収差が低減されるように各画素の座標が変換され
る。図4においては、撮像光学系を通じて画像データを
取得する際、光学収差により画像データがひずむが、そ
の後、画像データ補正ロジック部44での補正によりひ
ずみが解消される様子を示している。
Further, it is considered that the imaging optical system (variable focus lens 11) of the present imaging apparatus causes optical aberration as shown in FIG. Therefore, the image data correction logic unit 44
Then, the optical aberration generated by the imaging optical system is quantified in advance based on parameters such as the focal position, and the image data is corrected based on the quantified data. That is, in the correction, the coordinates of each pixel are converted so that the optical aberration caused by the change in the focal position of the variable focus lens 11 is reduced. FIG. 4 shows a state in which the image data is distorted due to the optical aberration when the image data is acquired through the imaging optical system, and thereafter, the distortion is eliminated by the correction in the image data correction logic unit 44.

【0036】次に、全焦点演算ロジック部45における
合焦点画素の抽出方法を説明する。本実施の形態の装置
では、同一画素の輝度値変化を2枚以上の画像フレーム
間で比較する全焦点判別アルゴリズムを用いる。なお、
この詳細は前述の特願平11−300467号に記載さ
れている。
Next, a method of extracting a focused pixel in the all-focus calculation logic unit 45 will be described. The apparatus according to the present embodiment uses an all-focus determination algorithm that compares a change in the luminance value of the same pixel between two or more image frames. In addition,
The details are described in the aforementioned Japanese Patent Application No. 11-300467.

【0037】要するに、観察対象物上の白黒の模様を撮
影した場合、白と黒との境界近傍の画素においては焦点
位置の変化に伴って輝度値に極値(最大値及び最小値)
が現れる。そこで、同一xy座標にある画素の輝度値の
最大値と最小値とを抽出し、更に、その位置での輝度値
の1次微分値を取ることにより、極値を検出して焦点位
置を判別する。但し、境界近傍の画素においては、焦点
位置と輝度値の極値との相関が不明瞭であるため、本実
施の形態では、輝度値の最大値を取った場合に焦点位置
として判別する。
In short, when a black-and-white pattern on an object to be observed is photographed, extreme values (maximum value and minimum value) of the luminance value of the pixel near the boundary between white and black are changed with the change of the focal position.
Appears. Therefore, the maximum value and the minimum value of the luminance value of the pixel at the same xy coordinate are extracted, and the first derivative value of the luminance value at that position is obtained to detect the extreme value and determine the focus position. I do. However, since the correlation between the focal position and the extreme value of the luminance value is unclear in the pixels near the boundary, in the present embodiment, the maximum luminance value is determined as the focal position.

【0038】合焦点判定のアルゴリズムを図5のフロー
チャートで簡単に説明すれば、先ずは、画像メモリ41
に格納済みの焦点位置が互いに異なる複数枚の画像か
ら、同一座標にある画素の輝度値をサンプリングする
(ステップS1)。次に、輝度値の最小値(Min)と
最大値(Max)とを抽出し(ステップS2)、その
後、最大値の焦点位置と最小値の焦点位置とで輝度値の
差分値の符号が反転しているか否かを判別する(ステッ
プS3)。
The algorithm of the in-focus determination will be briefly described with reference to the flowchart of FIG.
The luminance values of pixels at the same coordinates are sampled from a plurality of images having different focus positions stored in the image data (step S1). Next, the minimum value (Min) and the maximum value (Max) of the luminance value are extracted (step S2), and thereafter, the sign of the difference value of the luminance value is inverted between the focal position of the maximum value and the focal position of the minimum value. It is determined whether or not it has been performed (step S3).

【0039】最大値と最小値とのうち一方だけで輝度値
の差分値が正負反転している場合、正のピークか負のピ
ークかのうち一方だけが形成されていると判断できる。
それ故、A判定がなされ、輝度値のピークが形成されて
いる焦点位置をもって合焦点とする(ステップS4)。
When the difference value of the luminance value is inverted between the positive value and the negative value in only one of the maximum value and the minimum value, it can be determined that only one of the positive peak and the negative peak is formed.
Therefore, the A determination is made, and the focal position where the peak of the luminance value is formed is set as the focal point (step S4).

【0040】また逆に、最大値と最小値との両方で輝度
値の差分値が正負反転している場合、正のピークと負の
ピークとが両方とも形成されていると判断できる。それ
故、B判定がなされ、負のピークは除外され、輝度値が
正のピークを形成している焦点位置をもって合焦点とす
る(ステップS5)。なお、ステップS5では、正のピ
ークを除外しても良く、要するに正負の両ピークのうち
一方に合焦点位置があると判断する。
On the other hand, when the difference between the luminance values is inverted at both the maximum value and the minimum value, it can be determined that both the positive peak and the negative peak are formed. Therefore, the B determination is made, the negative peak is excluded, and the focal position where the luminance value forms a positive peak is set as the focal point (step S5). In step S5, the positive peak may be excluded, that is, it is determined that one of the positive and negative peaks has the in-focus position.

【0041】こうして簡易な判定を行うと、図6に示す
ように、正負の両ピークがある旨のB判定がなされた場
合には、合焦点が誤判定される場合(図中にNGと表
記)がありうる。しかしながら、発明者らが実験を重ね
て得た見地によれば、合焦点判定に誤判定が出た場合で
も、多くの場合には合焦点位置はその近くにあり、大き
な誤差は生じない。
As shown in FIG. 6, when the simple determination is made, as shown in FIG. 6, when the B determination that there are both positive and negative peaks is made, the in-focus point is erroneously determined (denoted as NG in the figure). ). However, according to a viewpoint obtained by repeated experiments by the inventors, even when an erroneous determination is made in the in-focus determination, in many cases the in-focus position is close to the in-focus position, and a large error does not occur.

【0042】以上詳述した本実施の形態によれば、以下
に示す効果が得られる。 (イ)可変焦点レンズ11の焦点位置を検出し、その検
出結果に基づいて画像信号を補正するので、倍率変化に
際して同一点の画素の座標がずれたり、光学収差により
画像が湾曲したりするといった従来の諸問題が解消され
る。またこの場合、大型で且つ高価なテレセントリック
レンズを要することもない。その結果、構成の煩雑化を
招くことなく、画像処理の精度を向上させることができ
る。特に本実施の形態の装置では、高精度な全焦点画像
と3次元マッとが同時に生成できる。これにより、顕微
鏡のような被写界深度の浅い光学系において全焦点画像
を精度良く得ることができる。また、観察対象物までの
距離や形状を認識することができるため、ロボットのビ
ジョンなどに応用することが可能となる。
According to this embodiment described in detail above, the following effects can be obtained. (A) Since the focus position of the varifocal lens 11 is detected and the image signal is corrected based on the detection result, the coordinates of pixels at the same point are shifted when the magnification is changed, or the image is curved due to optical aberration. Conventional problems are solved. Also, in this case, there is no need for a large and expensive telecentric lens. As a result, the accuracy of image processing can be improved without complicating the configuration. In particular, in the apparatus of the present embodiment, a high-precision omnifocal image and a three-dimensional map can be simultaneously generated. Thus, an omnifocal image can be obtained with high accuracy in an optical system having a shallow depth of field such as a microscope. In addition, since the distance and the shape to the observation target can be recognized, it can be applied to a robot vision and the like.

【0043】(ロ)画像信号の補正内容として、 ・可変焦点レンズ11の倍率の逆数をかけることにより
画像信号を補正する、 ・予め定量化しておいた光学収差データに基づいて画像
信号を補正する、 といった手法を用いることにより、可変焦点レンズ11
の焦点位置に応じて画像信号が座標変換され、倍率変化
や光学収差の影響のない画像信号が取得できる。
(B) The correction contents of the image signal are as follows: The image signal is corrected by multiplying the reciprocal of the magnification of the varifocal lens 11. The image signal is corrected based on optical aberration data quantified in advance. The varifocal lens 11
The image signal is coordinate-transformed according to the focal position of the image, and an image signal free from the influence of magnification change and optical aberration can be obtained.

【0044】(ハ)可変焦点レンズ11及び圧電アクチ
ュエータ12を一体化した高速焦点調節機構10を用い
ることにより、焦点位置の異なる複数枚の画像信号を高
速に得ることができる。
(C) By using the high-speed focus adjustment mechanism 10 in which the variable focus lens 11 and the piezoelectric actuator 12 are integrated, a plurality of image signals having different focus positions can be obtained at high speed.

【0045】(ニ)可変焦点レンズ11の焦点位置を検
出するためのセンサ25として、電圧センサ、電荷量セ
ンサ、変位センサの何れかを用いたので、圧電アクチュ
エータ12の駆動状態に応じて可変焦点レンズ11の焦
点位置を適正に検出することができ、その検出結果に基
づく補正により画像処理を精度良く実施することができ
る。なお、何れのセンサを用いるかは、本撮像装置を構
築する上でのコスト上の観点、又は要求精度の観点から
決定すれば良い。
(D) Since any one of a voltage sensor, a charge sensor, and a displacement sensor is used as the sensor 25 for detecting the focal position of the variable focus lens 11, the variable focus is changed according to the driving state of the piezoelectric actuator 12. The focal position of the lens 11 can be properly detected, and image processing can be accurately performed by correction based on the detection result. It should be noted that which sensor to use may be determined from the viewpoint of cost in constructing the present imaging device or the viewpoint of required accuracy.

【0046】(ホ)複数の焦点位置で得た画像データ群
について、同一xy座標にある1画素同士の輝度データ
に基づき焦点位置を判定するようにした。すなわち、そ
れぞれの画素についてその周囲の画素との相関関係を省
みることなく、当該画素単独で輝度の変化を観測した。
これにより、合焦点画素の判定に要する演算負荷が極め
て小さくなり、高速での焦点位置判定が可能となる。そ
れ故、画像表示のリアルタイム性が向上する。
(E) For image data groups obtained at a plurality of focal positions, the focal position is determined based on luminance data of one pixel at the same xy coordinate. That is, a change in luminance was observed for each pixel alone without omitting the correlation with the surrounding pixels.
As a result, the calculation load required for the determination of the focused pixel is extremely reduced, and the focus position can be determined at a high speed. Therefore, the real-time property of image display is improved.

【0047】なお本発明は、上記以外に次の形態にて具
体化できる。上記実施の形態では、電圧センサ、電荷量
センサ又は変位センサの何れかからなるセンサ25を用
い、センサ検出値から可変焦点レンズ11の焦点位置を
検出したが、この構成を変更する。例えば、可変焦点レ
ンズ11の内部空間11cの圧力(透明液体の圧力)を
圧力センサにて計測し、この計測値から可変焦点レンズ
11の焦点位置を検出しても良い。或いは、焦点調節駆
動回路20が圧電アクチュエータ12に入力する駆動信
号をCPU42内で読み取り、それにより可変焦点レン
ズ11の焦点位置を検出(算出)しても良い。この場
合、圧力センサ又はCPU42が検出手段に該当する。
The present invention can be embodied in the following forms other than the above. In the above-described embodiment, the focus position of the varifocal lens 11 is detected from the sensor detection value using the sensor 25 including any one of the voltage sensor, the charge amount sensor, and the displacement sensor. However, the configuration is changed. For example, the pressure in the internal space 11c of the varifocal lens 11 (the pressure of the transparent liquid) may be measured by a pressure sensor, and the focal position of the varifocal lens 11 may be detected from the measured value. Alternatively, the focus adjustment drive circuit 20 may read a drive signal input to the piezoelectric actuator 12 in the CPU 42 and detect (calculate) the focus position of the varifocal lens 11 accordingly. In this case, the pressure sensor or the CPU 42 corresponds to the detecting unit.

【0048】また、可変焦点レンズとしては、上記の如
く一対の透明弾性膜11a,11bを有する液封レンズ
に限定されない。また、アクチュエータも上記構成に限
定されない。何れにしても、観察対象物に対する焦点位
置が可変である可変焦点レンズと、その焦点位置を高速
で変更することが可能なアクチュエータとを用いる構成
であれば本発明として適用できる。
The variable focus lens is not limited to the liquid ring lens having the pair of transparent elastic films 11a and 11b as described above. Further, the actuator is not limited to the above configuration. In any case, the present invention can be applied to any configuration using a variable focus lens whose focal position with respect to the observation target is variable and an actuator capable of changing the focal position at high speed.

【0049】上記実施の形態では、全焦点画像と3次元
マップデータ(立体数値モデル)との両方を生成し、表
示装置に表示させる構成としたが、これを変更し、全焦
点画像と3次元マップデータ(立体数値モデル)とのう
ち、何れか一方のみを生成し表示する撮像装置として本
発明を具体化しても良い。
In the above embodiment, both the omnifocal image and the three-dimensional map data (three-dimensional numerical model) are generated and displayed on the display device. The present invention may be embodied as an imaging device that generates and displays only one of map data (a three-dimensional numerical model).

【0050】上述した合焦点判定方法とは異なる他の判
定方法として、取り込んだ画像信号をライン状或いはエ
リア状の微小領域に分割し、同一微小領域に対するコン
トラスト値を2枚以上の画像フレーム間で比較し、コン
トラスト値の最大の画素データを選択する方法も可能で
ある。微小領域のコントラスト値は、従来から一般的に
用いられている方法、例えば、画像データの輝度値を輝
度分散法、輝度振幅法、エントロピ法、DCT法、或い
はそれらを組み合わせた手法でコントラスト値に変換す
ることにより得ることができる。
As another judging method different from the above-mentioned in-focus point judging method, a captured image signal is divided into a line-shaped or area-shaped minute area, and a contrast value for the same minute area is determined between two or more image frames. A method of comparing and selecting the pixel data having the maximum contrast value is also possible. The contrast value of the minute area can be converted into a contrast value by a method generally used conventionally, for example, a luminance value of image data is converted into a luminance dispersion method, a luminance amplitude method, an entropy method, a DCT method, or a method combining them. It can be obtained by conversion.

【0051】一方、3次元マップの精度を向上する方法
として、図2において全焦点演算ロジック部45と3次
元マップ生成ロジック部46との間に、高周波成分を除
去するためのノイズ除去フィルタを挿入しても良い。ノ
イズ除去フィルタの形態としては、観察対象物の端部の
ようなコントラストが急変する部分でノイズが発生しや
すいので、全焦点演算ロジック部45の3次元マップデ
ータを空間周波数成分に変換し、ノイズを多く含む高周
波成分のみを除去した後、再び3次元マップデータに戻
すフィルタが有効である。時間領域の3次元マップデー
タを空間周波数領域のデータに変換する方法は、離散コ
サイン変換法、フーリエ変換法、離散サイン変換法の何
れの方法でも良い。
On the other hand, as a method for improving the accuracy of the three-dimensional map, a noise removal filter for removing high-frequency components is inserted between the all-focus calculation logic part 45 and the three-dimensional map generation logic part 46 in FIG. You may. As a form of the noise elimination filter, noise is likely to occur in a portion where the contrast changes abruptly, such as the end of the observation object. Therefore, the three-dimensional map data of the all-focus calculation logic unit 45 is converted into a spatial frequency component, It is effective to remove only high-frequency components containing a large amount of, and then return to three-dimensional map data again. The method of converting the three-dimensional map data in the time domain into data in the spatial frequency domain may be any of the discrete cosine transform method, the Fourier transform method, and the discrete sine transform method.

【0052】他のノイズ除去フィルタの構成としては、
全焦点演算ロジック部45が出力する3次元マップデー
タに対して「移動平均」又は「全平均」をとることによ
り、ノイズを多く含む高周波成分を除去するフィルタ
や、全焦点演算ロジック部45が出力する3次元マップ
データをライン状、又はエリア状の微小領域に分割し、
各微小領域の全ての3次元マップデータを、その微小領
域内で最も発生頻度の高い3次元マップデータに置き換
えることによりノイズを除去する「多数決型」のフィル
タを使用することもできる。
Another configuration of the noise removal filter is as follows.
By taking “moving average” or “total average” for the three-dimensional map data output from the all-focus calculation logic unit 45, a filter for removing high-frequency components containing much noise, and the output from the all-focus calculation logic unit 45 3D map data to be divided into line-shaped or area-shaped minute areas,
It is also possible to use a “majority decision” filter that removes noise by replacing all three-dimensional map data in each minute region with the three-dimensional map data that occurs most frequently in the minute region.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】発明の実施の形態における全焦点撮像装置の概
要を示す構成図。
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an outline of an all-focus imaging apparatus according to an embodiment of the present invention.

【図2】全焦点撮像装置を機能毎に示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram illustrating an omnifocal imaging device for each function.

【図3】撮像光学系の倍率変化の補正について説明する
図。
FIG. 3 is a diagram illustrating correction of a change in magnification of an imaging optical system.

【図4】撮像光学系の光学収差の補正について説明する
図。
FIG. 4 is a diagram illustrating correction of optical aberration of an imaging optical system.

【図5】合焦点判定のアルゴリズムを示すフローチャー
ト。
FIG. 5 is a flowchart showing an algorithm of focus determination.

【図6】合焦点判定の結果を示す一覧図。FIG. 6 is a list showing the results of focus determination.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…高速焦点調節機構、11…可変焦点レンズ、11
a,11b…透明弾性膜、11c…内部空間、12…圧
電アクチュエータ、20…焦点調節駆動回路、25…セ
ンサ、30…撮像手段、40…マイコン、41…画像メ
モリ、42…画像処理手段及び補正手段としてのCP
U。
10: High-speed focus adjustment mechanism, 11: Variable focus lens, 11
a, 11b: transparent elastic film, 11c: internal space, 12: piezoelectric actuator, 20: focus adjustment drive circuit, 25: sensor, 30: imaging means, 40: microcomputer, 41: image memory, 42: image processing means and correction CP as a means
U.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H04N 5/262 H04N 13/02 13/02 G02B 7/11 D Fターム(参考) 2H051 BA41 FA07 FA09 FA60 5C022 AA01 AA13 AB44 AB68 AC03 AC42 AC54 AC69 5C023 AA02 AA10 AA11 AA37 AA38 BA11 5C061 AB02 AB06 AB17 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H04N 5/262 H04N 13/02 13/02 G02B 7/11 DF term (Reference) 2H051 BA41 FA07 FA09 FA60 5C022 AA01 AA13 AB44 AB68 AC03 AC42 AC54 AC69 5C023 AA02 AA10 AA11 AA37 AA38 BA11 5C061 AB02 AB06 AB17

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】観察対象に対する焦点位置が可変である可
変焦点レンズと、 該可変焦点レンズの焦点位置を高速で変更するアクチュ
エータと、 可変焦点レンズを通して結像した実像を画素毎の画像信
号として出力する撮像手段と、 焦点位置の変更に伴って得られる複数枚分の画像信号を
格納可能な画像メモリと、 前記複数枚の画像信号のうち最も焦点が合っているもの
を画素毎に判定しこの観察対象の各部に焦点が合った一
枚の全焦点画像と、観察対象の立体形状を示す一つの立
体数値モデルとのうち、少なくとも何れか一方を生成す
る画像処理手段と、を備える撮像装置において、 前記アクチュエータにより変更される可変焦点レンズの
焦点位置を検出するための検出手段と、 該検出した可変焦点レンズの焦点位置に基づき、前記複
数枚の画像信号を個々に補正する補正手段とを設けたこ
とを特徴とする撮像装置。
A variable focus lens having a variable focus position with respect to an observation target; an actuator for changing the focus position of the variable focus lens at high speed; and a real image formed through the variable focus lens output as an image signal for each pixel. An image memory that can store a plurality of image signals obtained in accordance with a change in the focal position; and determining the most in-focus one of the plurality of image signals for each pixel. An imaging apparatus comprising: an all-in-focus image focused on each part of an observation target; and a three-dimensional numerical model indicating a three-dimensional shape of the observation target; and an image processing unit configured to generate at least one of the three-dimensional numerical model. Detecting means for detecting the focal position of the variable focus lens changed by the actuator; and Imaging apparatus characterized by comprising a correction means for correcting the image signal individually.
【請求項2】前記補正手段は、画像信号の各画素が持つ
座標に可変焦点レンズの倍率の逆数をかけることにより
画像信号を補正する請求項1に記載の撮像装置。
2. The image pickup apparatus according to claim 1, wherein said correction means corrects the image signal by multiplying a coordinate of each pixel of the image signal by a reciprocal of a magnification of a variable focus lens.
【請求項3】前記補正手段は、可変焦点レンズの光学特
性の変化に伴う収差を予め定量化しておき、該定量化し
たデータに基づいて画像信号を補正する請求項1又は2
に記載の撮像装置。
3. The method according to claim 1, wherein the correcting means quantifies in advance aberrations caused by changes in optical characteristics of the variable focus lens, and corrects an image signal based on the quantified data.
An imaging device according to claim 1.
【請求項4】前記可変焦点レンズは、表裏の差圧によっ
て曲率が可変な透明弾性膜を有し、この透明弾性膜によ
って形成される内部空間に透明液体が封入されてなる液
封レンズである一方、前記アクチュエータは、可変焦点
レンズに一体化され、駆動電圧の印加に伴い前記透明液
体に圧力を加える圧電アクチュエータである請求項1〜
3の何れかに記載の撮像装置。
4. The varifocal lens is a liquid ring lens having a transparent elastic film whose curvature is variable by the pressure difference between the front and back, and a transparent liquid sealed in an internal space formed by the transparent elastic film. On the other hand, the actuator is a piezoelectric actuator that is integrated with a varifocal lens and applies pressure to the transparent liquid with application of a drive voltage.
3. The imaging device according to any one of 3.
【請求項5】請求項4に記載の撮像装置において、 前記検出手段は、前記アクチュエータに印加される駆動
電圧を計測する電圧センサであり、前記補正手段は、電
圧センサの計測値に基づいて画像信号を補正する撮像装
置。
5. The imaging apparatus according to claim 4, wherein said detecting means is a voltage sensor for measuring a driving voltage applied to said actuator, and said correcting means is configured to generate an image based on a value measured by the voltage sensor. An imaging device that corrects a signal.
【請求項6】請求項4に記載の撮像装置において、 前記検出手段は、前記アクチュエータの電荷の注入量及
び放電量を計測する電荷量センサであり、前記補正手段
は、電荷量センサの測定値に基づいて画像信号を補正す
る撮像装置。
6. The image pickup apparatus according to claim 4, wherein said detecting means is a charge amount sensor for measuring an amount of charge injection and discharge of said actuator, and said correction means is a measurement value of said charge amount sensor. An image pickup device that corrects an image signal based on the image signal.
【請求項7】請求項4に記載の撮像装置において、 前記検出手段は、前記アクチュエータの変位量を直接計
測する変位センサであり、前記補正手段は、変位センサ
の測定値に基づいて画像信号を補正する撮像装置。
7. The imaging apparatus according to claim 4, wherein said detecting means is a displacement sensor for directly measuring a displacement amount of said actuator, and said correcting means outputs an image signal based on a measured value of said displacement sensor. An imaging device to be corrected.
【請求項8】前記画像処理手段は、 焦点位置の異なる複数枚分の画像信号を撮像手段より取
り込むためのロジックと、 可変焦点レンズの焦点位置に基づき、前記複数枚の画像
信号を個々に補正するためのロジックと、 補正後の画像信号から焦点の合っている画素を抽出する
と共に、その画素が存在する画像信号から観察対象まで
の距離情報を演算するためのロジックと、 前記抽出した焦点の合っている画素から全焦点画像デー
タを再構築するためのロジックと、 前記演算した距離情報から立体数値モデルを生成するた
めのロジックと、を有する請求項1に記載の撮像装置。
8. The image processing means comprises: logic for taking in image signals of a plurality of images having different focal positions from an image pickup means; and individually correcting the plurality of image signals based on a focal position of a varifocal lens. Logic for extracting a focused pixel from the corrected image signal, and calculating distance information to an observation target from an image signal in which the pixel exists, and logic for calculating the distance of the extracted focus. The imaging apparatus according to claim 1, further comprising: logic for reconstructing omnifocal image data from matching pixels; and logic for generating a three-dimensional numerical model from the calculated distance information.
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