JP2008245157A - Imaging device and method therefor - Google Patents

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JP2008245157A JP2007085933A JP2007085933A JP2008245157A JP 2008245157 A JP2008245157 A JP 2008245157A JP 2007085933 A JP2007085933 A JP 2007085933A JP 2007085933 A JP2007085933 A JP 2007085933A JP 2008245157 A JP2008245157 A JP 2008245157A
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Yoichi Miyauchi
洋一 宮内
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an imaging device and a method for manufacturing the same for realizing blurs for making a restored image satisfactory, and for simplifying an optical system, and for reducing cost, and for acquiring proper picture quality, and for reducing the influence due to noise, and for accurately restoring an image in a required direction, and for acquiring a satifactory restored image. <P>SOLUTION: This imaging device is provided with an optical system 210, including a light wave face modulation element rotatable with an optical axis as a center; an imaging element 220 for imaging through the optical system; an image processor 240 for performing blur restoration processing by using a blur restoration filter, acquired from a PSF acquired by compounding each dot image intensity distribution (PSF), corresponding to a plurality of angles of rotation; and a control device 250 for controlling the focal point depth expansion, by making the blur restoration filter act on the composite image, acquired by compounding images photographed at each of the plurality of angles of rotation. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、撮像素子を用い、光学系を備えた撮像装置およびその方法に関するものである。   The present invention relates to an imaging apparatus using an imaging device and including an optical system, and a method thereof.

近年急峻に発展を遂げている情報のデジタル化に相俟って映像分野においてもその対応が著しい。
特に、デジタルカメラに象徴されるように撮像面は従来のフィルムに変わって固体撮像素子であるCCD(Charge Coupled Device),CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサが使用されているのが大半である。
In response to the digitization of information, which has been rapidly developing in recent years, the response in the video field is also remarkable.
In particular, as symbolized by a digital camera, a CCD (Charge Coupled Device) or CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sensor, which is a solid-state image sensor, is used in most cases instead of a conventional film.

このように、撮像素子にCCDやCMOSセンサを使った撮像レンズ装置は、被写体の映像を光学系により光学的に取り込んで、撮像素子により電気信号として抽出するものであり、デジタルスチルカメラの他、ビデオカメラ、デジタルビデオユニット、パーソナルコンピュータ、携帯電話機、携帯情報端末(PDA:Personal DigitalAssistant)、画像検査装置、自動制御用産業カメラ等に用いられている。   As described above, an imaging lens device using a CCD or CMOS sensor as an imaging element is for taking an image of a subject optically by an optical system and extracting it as an electrical signal by the imaging element. In addition to a digital still camera, It is used in video cameras, digital video units, personal computers, mobile phones, personal digital assistants (PDAs), image inspection devices, industrial cameras for automatic control, and the like.

図38は、一般的な撮像レンズ装置の構成および光束状態を模式的に示す図である。
この撮像レンズ装置1は、光学系2とCCDやCMOSセンサ等の撮像素子3とを有する。
光学系は、物体側レンズ21,22、絞り23、および結像レンズ24を物体側(OBJS)から撮像素子3側に向かって順に配置されている。
FIG. 38 is a diagram schematically illustrating a configuration and a light flux state of a general imaging lens device.
The imaging lens device 1 includes an optical system 2 and an imaging element 3 such as a CCD or CMOS sensor.
In the optical system, the object side lenses 21 and 22, the diaphragm 23, and the imaging lens 24 are sequentially arranged from the object side (OBJS) toward the image sensor 3 side.

撮像レンズ装置1においては、図38に示すように、ベストフォーカス面を撮像素子面上に合致させている。
図39(A)〜(C)は、撮像レンズ装置1の撮像素子3の受光面でのスポット像を示している。
In the imaging lens device 1, as shown in FIG. 38, the best focus surface is matched with the imaging device surface.
39A to 39C show spot images on the light receiving surface of the imaging element 3 of the imaging lens device 1.

また、位相板により光束を規則的に分散し、デジタル処理により復元させ被写界深度の深い画像撮影を可能にする等の撮像装置が提案されている(たとえば非特許文献1,2、特許文献1〜5参照)。
また、伝達関数を用いたフィルタ処理を行うデジタルカメラの自動露出制御システムが提案されている(たとえば特許文献6参照)。
“Wavefront Coding;jointly optimized optical and digital imaging systems”,Edward R.Dowski,Jr.,Robert H.Cormack,Scott D.Sarama. “Wavefront Coding;A modern method of achieving high performance and/or low cost imaging systems”,Edward R.Dowski,Jr.,Gregory E.Johnson. USP6,021,005 USP6,642,504 USP6,525,302 USP6,069,738 特開2003−235794号公報 特開2004−153497号公報
In addition, imaging devices have been proposed in which light beams are regularly dispersed by a phase plate and restored by digital processing to enable imaging with a deep depth of field (for example, Non-Patent Documents 1 and 2 and Patent Documents). 1-5).
In addition, an automatic exposure control system for a digital camera that performs filter processing using a transfer function has been proposed (see, for example, Patent Document 6).
“Wavefront Coding; jointly optimized optical and digital imaging systems”, Edward R. Dowski, Jr., Robert H. Cormack, Scott D. Sarama. “Wavefront Coding; A modern method of achieving high performance and / or low cost imaging systems”, Edward R. Dowski, Jr., Gregory E. Johnson. USP 6,021,005 USP 6,642,504 USP 6,525,302 USP 6,069,738 JP 2003-235794 A JP 2004-153497 A

上述した各文献にて提案された撮像装置においては、その全ては通常光学系に上述の位相板を挿入した場合のPSF(Point−Spread−Function)が一定になっていることが前提であり、PSFが変化した場合は、その後のカーネルを用いたコンボリューションにより、被写界深度の深い画像を実現することは極めて難しい。
したがって、単焦点でのレンズではともかく、ズーム系やAF系などのレンズでは、その光学設計の精度の高さやそれに伴うコストアップが原因となり採用するには大きな問題を抱えている。
換言すれば、従来の撮像装置においては、適正なコンボリューション演算を行うことができず、ワイド(Wide)時やテレ(Tele)時のスポット(SPOT)像のズレを引き起こす非点収差、コマ収差、ズーム色収差等の各収差を無くす光学設計が要求される。
しかしながら、これらの収差を無くす光学設計は光学設計の難易度を増し、設計工数の増大、コスト増大、レンズの大型化の問題を引き起こす。
In the imaging devices proposed in the above-mentioned documents, all of them are based on the assumption that the PSF (Point-Spread-Function) when the above-described phase plate is inserted into a normal optical system is constant, When the PSF changes, it is extremely difficult to realize an image with a deep depth of field by convolution using a subsequent kernel.
Therefore, apart from a single-focus lens, a zoom system, an AF system, or the like has a great problem in adopting due to the high accuracy of the optical design and the associated cost increase.
In other words, in the conventional imaging apparatus, proper convolution calculation cannot be performed, and astigmatism and coma that cause a shift of a spot (SPOT) image at the time of wide or tele (Tele). Therefore, an optical design that eliminates various aberrations such as zoom chromatic aberration is required.
However, the optical design that eliminates these aberrations increases the difficulty of optical design, causing problems such as an increase in design man-hours, an increase in cost, and an increase in the size of the lens.

また、上述した各文献に開示された装置においては、たとえば暗所における撮影で、信号処理によって画像を復元する際、ノイズも同時に増幅してしまう。
したがって、たとえば上述した位相板等の光波面変調素子とその後の信号処理を用いるような、光学系と信号処理を含めた光学システムでは、暗所での撮影を行う場合、ノイズが増幅してしまい、復元画像に影響を与えてしまうという不利益がある。
In addition, in the devices disclosed in the above-described documents, noise is also amplified simultaneously when an image is restored by signal processing, for example, in shooting in a dark place.
Therefore, for example, in an optical system including an optical system and signal processing using the above-described optical wavefront modulation element such as a phase plate and subsequent signal processing, noise is amplified when shooting in a dark place. This has the disadvantage of affecting the restored image.

さらに、上記技術では、たとえば明るい被写体の撮影で、絞りを絞った場合、位相変調素子が絞りで覆われるため、位相変化が小さくなり、画像復元処理を行うと復元画像に影響を与えてしまうという不利益がある。   Furthermore, in the above technique, for example, when shooting a bright subject, when the aperture is stopped, the phase modulation element is covered with the aperture, so that the phase change becomes small, and if the image restoration processing is performed, the restored image is affected. There are disadvantages.

さらにまた、上記技術では、画像復元処理前の画像は物体距離によらず常に光学像がボケた状態になっているため、復元処理を行わなければ画質としての完成度が低い。
たとえ復元処理を行ってもボカして復元するという工程上、完全には復元することは困難である。そのため、復元画が良好となるようなボカシ方をする必要がある。
Furthermore, in the above technique, since the optical image is always in a blurred state regardless of the object distance in the image before the image restoration process, the image quality is not perfect unless the restoration process is performed.
Even if the restoration process is performed, it is difficult to completely restore in the process of blurring and restoring. For this reason, it is necessary to blur the restored image.

また、上述した位相板により光束を規則的に分散し、デジタル処理により復元させ被写界深度の深い画像撮影を可能にする等の撮像装置においては、位相板で生成されるPSFはボケの広がる方向がたとえば画角の鉛直方向と水平方向に強く現れ、45度方向にボケ成分少ない。
これを周波数分析を行うと鉛直方向、水平方向の変調伝達関数(MTF:Modulation Transfer Function)はそこにあるものの、45度方向はかなり低下している。
一方で復元フィルタは基本的に上記MTFの逆数であるので45度方向の周波数成分の係数は非常に高くなってしまう。
Further, in an imaging apparatus that regularly disperses a light beam by the above-described phase plate and restores it by digital processing to enable image capturing with a deep depth of field, the PSF generated by the phase plate spreads out of blur. The direction appears strongly in the vertical and horizontal directions of the angle of view, for example, and the blur component is small in the 45 degree direction.
When this is analyzed by frequency analysis, the modulation transfer function (MTF: Modulation Transfer Function) in the vertical direction and the horizontal direction is there, but the 45 degree direction is considerably lowered.
On the other hand, since the restoration filter is basically a reciprocal of the MTF, the coefficient of the frequency component in the 45 degree direction becomes very high.

一般に、ノイズ対策により下記式で示されるwiener型フィルタが復元フィルタとして用いられることが多いが、それを適用するとノイズを抑制する働き同様、ノイズレベルまで低下している45度方向に対してはゲインを抑制する効果が働き、結局のところ45度方向の本来必要な倍率まで上げられないことになる。これが原因で45度方向は復元しきれないことなる。   In general, a Wiener filter represented by the following formula is often used as a restoration filter as a countermeasure against noise. When applied, the gain filter is applied to the 45-degree direction where the noise level is lowered, as well as the noise suppression function. As a result, the magnification that is originally required in the 45 degree direction cannot be increased. For this reason, the 45 degree direction cannot be completely restored.

本発明は、復元画が良好となるようなボカシを実現でき、また、光学系を簡単化でき、コスト低減を図ることができ、適切な画質の、ノイズの影響が小さく、必要な方向の復元を的確に行うことが可能で良好な復元画像を得ることが可能な撮像装置およびその方法を提供することにある。   The present invention can realize blurring that improves the restored image, simplifies the optical system, can reduce the cost, has an appropriate image quality, is less influenced by noise, and is restored in the necessary direction. It is an object of the present invention to provide an imaging apparatus and method capable of accurately performing the above and obtaining a good restored image.

本発明の第1の観点の撮像装置は、光軸を中心に回転可能な光波面変調素子を含む光学系と、前記光学系を介した像を撮像する撮像素子と、複数の回転角度に対応する個々の点像強度分布(PSF)を合成したPSFから得られたボケ復元フィルタと、前記複数の回転角度毎に撮像された画像を合成して得られる合成画像に対して前記ボケ復元フィルタを作用させることによって焦点深度拡張を行うように制御する制御部とを有する。   An imaging apparatus according to a first aspect of the present invention is compatible with an optical system including an optical wavefront modulation element that can rotate around an optical axis, an imaging element that captures an image via the optical system, and a plurality of rotation angles. A blur restoration filter obtained from a PSF obtained by synthesizing individual point image intensity distributions (PSFs), and the blur restoration filter for a synthesized image obtained by synthesizing images picked up at each of the plurality of rotation angles. And a control unit that performs control so that the depth of focus is extended.

好適には、前記制御部は、前記複数のPSFに対して異なる重み付けを行って当該複数のPSFを合成するように制御する。   Preferably, the control unit performs control such that the plurality of PSFs are synthesized by performing different weighting on the plurality of PSFs.

好適には、前記制御部は、前記複数のPSFの重み付けの割合に従って露出時間を変えて複数の回転角度毎に撮像を行うように制御する。   Preferably, the control unit performs control to change the exposure time according to the weighting ratio of the plurality of PSFs and perform imaging at each of a plurality of rotation angles.

好適には、前記制御部は、前記重み付けおよび、または露出時間の比率は、復元性能を重視する回転角度に重く配分するように制御する。   Preferably, the control unit controls the weighting and / or the ratio of the exposure time so as to be heavily distributed to a rotation angle that places importance on restoration performance.

好適には、前記制御部は、前記復元性能を重視する回転角度を、撮像画角の鉛直方向および水平方向の少なくとも一方とする。   Preferably, the control unit sets a rotation angle that places importance on the restoration performance as at least one of a vertical direction and a horizontal direction of an imaging field angle.

本発明の第2の観点の撮像装置は、光軸を中心に回転可能な複数の光波面変調素子を含む光学系と、前記光学系を介した像を撮像する撮像素子と、前記複数の光波面変調素子のそれぞれの回転角度に対応する点像強度分布(PSF)を合成したPSFから得られたボケ復元フィルタと、撮像された画像に対して前記ボケ復元フィルタを作用させることによって焦点深度拡張を行う制御部とを有する。   An image pickup apparatus according to a second aspect of the present invention includes an optical system including a plurality of light wavefront modulation elements that can rotate around an optical axis, an image pickup element that picks up an image via the optical system, and the plurality of light waves. Depth of focus expansion by applying a blur restoration filter obtained from a PSF obtained by synthesizing a point image intensity distribution (PSF) corresponding to each rotation angle of the surface modulation element, and the blur restoration filter to the captured image. And a control unit for performing

本発明の第3の観点の撮像装置は、光学特性上、光軸を回転させて組み合わせた複数の光波面変調素子と同等の特性をもつ一つの光波面変調素子を含む光学系と、前記光学系を介した像を撮像する撮像素子と、前記複数の光波面変調素子のそれぞれの回転角度に対応する点像強度分布(PSF)を合成したPSFから得られたボケ復元フィルタと、撮像された画像に対して前記ボケ復元フィルタを作用させることによって焦点深度拡張を行う制御部とを有する。   An image pickup apparatus according to a third aspect of the present invention includes an optical system including one optical wavefront modulation element having characteristics equivalent to a plurality of optical wavefront modulation elements combined with rotating optical axes in terms of optical characteristics; An image pickup device for picking up an image via a system, a blur restoration filter obtained from a PSF obtained by synthesizing a point image intensity distribution (PSF) corresponding to each rotation angle of the plurality of light wavefront modulation devices, And a control unit that extends the depth of focus by applying the blur restoration filter to the image.

好適には、前記回転角度差は、45度または135度である。   Preferably, the rotation angle difference is 45 degrees or 135 degrees.

本発明の第4の観点の撮像方法は、光軸を中心に回転可能な光波面変調素子を含む光学系を介して複数の像を撮像するステップと、複数の回転角度毎に撮像された画像を合成するステップと、合成画像に対して複数の回転角度に対応する個々の点像強度分布(PSF)を合成したPSFから得られたボケ復元フィルタを作用させることによって焦点深度拡張を行うステップとを有する。   An imaging method according to a fourth aspect of the present invention includes a step of imaging a plurality of images via an optical system including an optical wavefront modulation element that can rotate around an optical axis, and an image captured at each of a plurality of rotation angles. And a step of extending the depth of focus by applying a blur restoration filter obtained from a PSF obtained by synthesizing individual point image intensity distributions (PSFs) corresponding to a plurality of rotation angles with respect to the synthesized image, and Have

本発明の第5の観点の撮像方法は、光学特性上、光軸を回転させて組み合わせた複数の光波面変調素子と同等の特性をもつ一つの光波面変調素子を含む光学系を介して像を撮像するステップと、撮像された画像に対して前記複数の光波面変調素子のそれぞれの回転角度に対応する点像強度分布(PSF)を合成したPSFから得られたボケ復元フィルタを作用させることによって焦点深度拡張を行うステップとを有する。   The imaging method according to the fifth aspect of the present invention provides an image via an optical system including one light wavefront modulation element having characteristics equivalent to a plurality of light wavefront modulation elements combined by rotating the optical axis in terms of optical characteristics. And a blur restoration filter obtained from a PSF obtained by synthesizing a point image intensity distribution (PSF) corresponding to each rotation angle of the plurality of light wavefront modulation elements with respect to the captured image. Performing a depth of focus extension.

本発明の第6の観点の撮像方法は、一つの光波面変調素子を含む光学系を介して像を撮像するステップと、撮像された画像に対してボケの広がり方向に偏りのある光波面変調素子の複数の回転角度に対応する点像強度分布(PSF)を合成したPSFから得られたボケ復元フィルタを作用させることによって焦点深度拡張を行うステップとを有する。   According to a sixth aspect of the present invention, there is provided an imaging method in which an image is captured via an optical system including one optical wavefront modulation element, and optical wavefront modulation that is biased in a blur spreading direction with respect to the captured image. Expanding the depth of focus by applying a blur restoration filter obtained from a PSF obtained by synthesizing a point image intensity distribution (PSF) corresponding to a plurality of rotation angles of the element.

本発明によれば、必要な方向の復元を的確に行うことができ、良好な復元画像を得ることができる。
また、光学系を簡単化でき、コスト低減を図ることができ、しかも適切な画質の、ノイズの影響が小さく、良好な復元画像を得ることができる利点がある。
According to the present invention, restoration in a necessary direction can be performed accurately, and a good restored image can be obtained.
In addition, there is an advantage that the optical system can be simplified, the cost can be reduced, and a good restored image can be obtained with an appropriate image quality and little influence of noise.

以下、本発明の実施形態を添付図面に関連付けて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

図1は、本発明の実施形態に係る情報コード読取装置の一例を示す外観図である。
図2(A)〜(C)は、情報コードを例を示す図である。
図3は、図1の情報コード読取装置に適用される撮像装置の構成例を示すブロックである。
FIG. 1 is an external view showing an example of an information code reading apparatus according to an embodiment of the present invention.
2A to 2C are diagrams illustrating examples of information codes.
FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration example of an imaging apparatus applied to the information code reading apparatus of FIG.

本実施形態に係る情報コード読取装置100は、図1に示すように、本体110がケーブル111を介して図示しない電子レジスタ等の処理装置と接続され、たとえば読み取り対象物120に印刷された反射率の異なるシンボル、コード等の情報コード121を読み取り可能な装置である。
読み取り対象の情報コードとしては、たとえば図2(A)に示すような、JANコードのような1次元のバーコード122と、図2(B)および(C)に示すようなスタック式のCODE49、あるいはマトリックス方式のQRコードのような2次元のバーコード123が挙げられる。
As shown in FIG. 1, the information code reader 100 according to the present embodiment has a main body 110 connected to a processing device such as an electronic register (not shown) via a cable 111, for example, a reflectance printed on a reading object 120. It is a device that can read the information code 121 such as a different symbol or code.
As an information code to be read, for example, a one-dimensional bar code 122 such as a JAN code as shown in FIG. 2A, a stack-type CODE 49 as shown in FIGS. 2B and 2C, Alternatively, a two-dimensional barcode 123 such as a matrix type QR code can be used.

本実施形態に係る情報コード読取装置100は、本体110内に、図示しない照明光源と、図3に示すような撮像装置200とが配置されている。
撮像装置200は、後で詳述するように、光学系に光波面変調素子を適用し、光波面変調素子により光束を規則的に分散し、デジタル処理により復元させ被写界深度の深い画像撮影を可能にする波面収差制御光学系システム、あるいは深度拡張光学系システム(DEOS:Depth Expantion Optical system)というシステムを採用し、JANコードのような1次元のバーコードとQRコードのような2次元のバーコードのように特性(種類)が異なる情報コードを特性に応じて的確に高精度で読み取ることが可能に構成されている。
In the information code reading apparatus 100 according to the present embodiment, an illumination light source (not shown) and an imaging apparatus 200 as shown in FIG.
As will be described in detail later, the imaging apparatus 200 applies a light wavefront modulation element to the optical system, regularly disperses the light beam by the light wavefront modulation element, and restores the image by digital processing to capture an image with a deep depth of field. The system adopts a wavefront aberration control optical system or a depth expansion optical system (DEOS: Optical System) that enables a one-dimensional barcode such as a JAN code and a two-dimensional barcode such as a QR code. Information codes having different characteristics (types) such as bar codes can be read accurately and accurately according to the characteristics.

情報コード読取装置100の撮像装置200は、図3に示すように、光学系210、撮像素子220、選択切換部230、画像処理装置240、判定部としての機能を含む制御装置250、および外部とのびインタフェース部(I/F)260を有する。   As shown in FIG. 3, the imaging device 200 of the information code reader 100 includes an optical system 210, an imaging device 220, a selection switching unit 230, an image processing device 240, a control device 250 including a function as a determination unit, and an external device. It has an extended interface unit (I / F) 260.

光学系210は、後で詳述する位相変調素子等の光波面変調素子を含み、被写体物体OBJである情報コード121を撮影した像を撮像素子220に供給する。
たとえば光学系210の光波面変調素子は、選択切換部230により光軸を中心に回転可能に配置されている。
The optical system 210 includes an optical wavefront modulation element such as a phase modulation element, which will be described in detail later, and supplies an image obtained by photographing the information code 121 that is the subject object OBJ to the imaging element 220.
For example, the light wavefront modulation element of the optical system 210 is arranged to be rotatable about the optical axis by the selection switching unit 230.

撮像素子220は、光学系210で取り込んだ像が結像され、結像1次画像情報を電気信号の1次画像信号FIMとして、図示しないアナログフロントエンド部(AFE)を介して画像処理装置240に出力するCCDやCMOSセンサからなる。
図3においては、撮像素子220を一例としてCCDとして記載している。
The image sensor 220 forms an image captured by the optical system 210, and forms image primary image information as a primary image signal FIM of an electrical signal via an analog front end unit (AFE) (not shown). It consists of a CCD or CMOS sensor that outputs to.
In FIG. 3, the imaging element 220 is described as a CCD as an example.

図4は、本実施形態に係る光学系210の構成例を模式的に示す図である。
そして、図5は、本実施形態に係る光学系の広角側の像高中心のスポット形状を示す図であり、図6は、本実施形態に係る光学系の望遠側の像高中心のスポット形状を示す図である。
FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a configuration example of the optical system 210 according to the present embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing a spot shape at the center of the image height on the wide angle side of the optical system according to the present embodiment, and FIG. 6 is a spot shape at the center of the image height on the telephoto side of the optical system according to the present embodiment. FIG.

図4の光学系210は、物体OBJ側に配置された物体側レンズ211と、撮像素子220に結像させるための結像レンズ212と、物体側レンズ211と結像レンズ212間に配置され、結像レンズ212による撮像素子220の受光面への結像の波面を変形させる、たとえば3次元的曲面を有する位相板からなる光波面変調素子(波面形成用光学素子)群213を有する。   The optical system 210 in FIG. 4 is disposed between an object-side lens 211 disposed on the object OBJ side, an imaging lens 212 for forming an image on the image sensor 220, and between the object-side lens 211 and the imaging lens 212. It has a light wavefront modulation element (wavefront forming optical element) group 213 made of, for example, a phase plate having a three-dimensional curved surface, which deforms the wavefront of image formation on the light receiving surface of the image sensor 220 by the imaging lens 212.

なお、本実施形態においては、位相板を用いた場合について説明したが、本発明の光波面変調素子としては、波面を変形させるものであればどのようなものでもよく、厚みが変化する光学素子(たとえば、上述の3次の位相板)、屈折率が変化する光学素子(たとえば屈折率分布型波面変調レンズ)、レンズ表面へのコーディング等により厚み、屈折率が変化する光学素子(たとえば、波面変調ハイブリッドレンズ、あるいはレンズ面上に形成される位相面として形成される状態)、光の位相分布を変調可能な液晶素子(たとえば、液晶空間位相変調素子)等の光波面変調素子であればよい。
また、本実施形態においては、光波面変調素子である位相板を用いて規則的に分散した画像を形成する場合について説明したが、通常の光学系として用いるレンズで光波面変調素子と同様に規則的に分散した画像を形成できるものを選択した場合には、光波面変調素子を用いずに光学系のみで実現することができる。この際は、後述する位相板に起因する分散に対応するのではなく、光学系に起因する分散に対応することとなる。
In the present embodiment, the case where the phase plate is used has been described. However, the optical wavefront modulation element of the present invention may be any element that deforms the wavefront, and an optical element whose thickness changes. (For example, the above-mentioned third-order phase plate), an optical element whose refractive index changes (for example, a gradient index wavefront modulation lens), an optical element whose thickness and refractive index change due to coding on the lens surface (for example, a wavefront) A light wavefront modulation element such as a modulation hybrid lens or a phase plane formed on the lens surface) or a liquid crystal element capable of modulating the phase distribution of light (for example, a liquid crystal spatial phase modulation element). .
Further, in the present embodiment, the case where a regularly dispersed image is formed using a phase plate that is a light wavefront modulation element has been described. However, the lens used as a normal optical system has the same rule as the light wavefront modulation element. When an image that can form a dispersed image is selected, it can be realized only by an optical system without using a light wavefront modulation element. In this case, it does not correspond to the dispersion caused by the phase plate described later, but corresponds to the dispersion caused by the optical system.

図4の光学系210は、デジタルカメラに用いられる3倍ズームに光学位相板213aを挿入した例である。
図で示された位相板213aは、光学系により収束される光束を規則正しく分散する光学レンズである。この位相板を挿入することにより、撮像素子220上ではピントのどこにも合わない画像を実現する。
換言すれば、位相板213aによって深度の深い光束(像形成の中心的役割を成す)とフレアー(ボケ部分)を形成している。
前述したように、この規則的に分散した画像をデジタル処理により、光学系210を移動させずにピントの合った画像に復元する手段を波面収差制御光学系システム、あるいは深度拡張光学系システム(DEOS:Depth Expantion Opticalsystem)といい、この処理を画像処理装置240において行う。
The optical system 210 in FIG. 4 is an example in which an optical phase plate 213a is inserted into a 3 × zoom used in a digital camera.
The phase plate 213a shown in the figure is an optical lens that regularly disperses the light beam converged by the optical system. By inserting this phase plate, an image that does not fit anywhere on the image sensor 220 is realized.
In other words, the phase plate 213a forms a deep light beam (which plays a central role in image formation) and a flare (blurred portion).
As described above, means for restoring the regularly dispersed image to a focused image without moving the optical system 210 by digital processing is a wavefront aberration control optical system system or a depth extension optical system system (DEOS). : Depth Expansion Optical system), and this processing is performed in the image processing apparatus 240.

光学系210の光波面変調素子と撮像素子220の相対的な位置は、選択切換部230により、光学系210に含まれる光波面変調素子と撮像素子220を相対的に回転させて取り付け位置が設定される。本実施形態においては、後で説明するように、光波面変調素子を光学系210の光軸を中心に回転させてあるいはそのままの位置に保持して、第1の位置または第2の位置に設定される。
本実施形態において、第1の位置とは、光学系210を通過した点像強度分布(PSF)の係る出力信号が入力する画素数が第1の数N1となる基準位置を意味する。この第1の位置の場合は、光波面変調素子が基準位置にセットされた状態であり、回転角が0度の場合である。
この第2の位置は、光波面変調素子を光軸を中心に第1の位置から所定角度、たとえば45度あるいは135度回転させた場合である。
The relative positions of the optical wavefront modulation element and the image sensor 220 in the optical system 210 are set by the selection switching unit 230 by relatively rotating the optical wavefront modulation element and the image sensor 220 included in the optical system 210. Is done. In the present embodiment, as will be described later, the light wavefront modulation element is rotated around the optical axis of the optical system 210 or held at the same position, and set to the first position or the second position. Is done.
In the present embodiment, the first position means a reference position where the number of pixels to which an output signal of a point image intensity distribution (PSF) that has passed through the optical system 210 is input is the first number N1. In the case of the first position, the light wavefront modulation element is set at the reference position and the rotation angle is 0 degree.
The second position is a case where the light wavefront modulation element is rotated from the first position by a predetermined angle, for example, 45 degrees or 135 degrees around the optical axis.

選択切換部230は、制御装置250の制御信号CTL1に応じて光学系210の光波面変調素子を回転させて、あるいは、そのままの位置を保持して、上述した第1の位置または第2の位置となるように選択的に回転位置を切り換える。
選択切換部230は、制御装置250の制御信号CTL1により、たとえば、第1回目の撮像(第1の撮影)で第1の位置を保持し、第2回目の撮像(第2の撮影)で第2の位置を保持するように制御される。第1回目の撮像画像と第2回目の撮像画像は合成処理されることになる。
The selection switching unit 230 rotates the light wavefront modulation element of the optical system 210 according to the control signal CTL1 of the control device 250, or holds the position as it is, and the first position or the second position described above. The rotational position is selectively switched so that
For example, the selection switching unit 230 holds the first position by the first imaging (first imaging) and the second imaging (second imaging) by the control signal CTL1 of the control device 250. It is controlled to hold the position of 2. The first captured image and the second captured image are combined.

図7は、本実施形態の選択切換部の構成例を示す図である。   FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration example of the selection switching unit of the present embodiment.

図7の選択切換部230Aは、光波面変調素子(たとえば位相板)213aを、回転中心を持った回転可動な部品231に光軸を一致させて配置し、部品231の縁部とモータ232の回転軸に取り付けた歯車233と噛合させて、制御装置250で生成された制御信号CTL1に応じて、光波面変調素子213aを光軸中心AXに所定角度、たとえば45度回転させ、あるいはそのままの位置に保持する。   The selection switching unit 230 </ b> A in FIG. 7 arranges an optical wavefront modulation element (for example, a phase plate) 213 a with a rotationally movable component 231 having a rotation center so that the optical axis coincides with the edge of the component 231 and the motor 232. The light wavefront modulation element 213a is rotated by a predetermined angle, for example, 45 degrees or about the optical axis center AX in accordance with the control signal CTL1 generated by the control device 250, or meshed with the gear 233 attached to the rotation shaft, or left as it is. Hold on.

選択切換部230Aは、たとえば初期状態では、図7中、P1で示す部品231の位置に光波面変調素子213aの縁部の第1の位置部a1が一致する位置に保持される。
そして、選択切換部230Aは、制御装置250による制御信号CTL1を受けて部品231を図中反時計回りに所定角度、たとえば45度回転する。
また、選択切換部230Aは、たとえば第2の位置部a2での撮像が終了すると、制御装置250による制御信号CTL1を受けて部品231を図中時計回りに45度回転する(基準位置に戻される)。
For example, in the initial state, the selection switching unit 230A is held at a position where the first position portion a1 of the edge portion of the light wavefront modulation element 213a matches the position of the component 231 indicated by P1 in FIG.
The selection switching unit 230A receives the control signal CTL1 from the control device 250 and rotates the component 231 counterclockwise in the drawing by a predetermined angle, for example, 45 degrees.
For example, when the imaging at the second position portion a2 is completed, the selection switching unit 230A receives the control signal CTL1 from the control device 250 and rotates the component 231 by 45 degrees clockwise in the drawing (returned to the reference position). ).

画像処理装置240は、前段の不図示のAFEからくる撮像画像のデジタル信号を入力し、二次元のコンボリューション処理を施し、後段の制御装置250に出力する。
画像処理装置240は、複数の回転角度毎(0度と45度)に撮像された画像を合成して得られる合成画像に対して、制御装置250の制御信号CTL2により指示されたボケ復元フィルタを用いて、入力画像信号の光学的伝達関数(OTF)を通して得られた入力画像信号に対してフィルタ処理を行う。
画像処理装置240は、撮像素子220からの被写体分散画像信号より分散のない画像信号を生成する機能(ボケ復元機能)を有する。また、画像信号処理部は、最初のステップでノイズ低減フィルタリングを施す機能を有する。
なお、ボケ復元フィルタは、複数の回転角度(本実施形態では0度と45度)に対応する個々の点像強度分布(PSF)を合成したPSFから算出して得られる。
画像処理装置240の処理については後でさらに詳述する。
The image processing apparatus 240 receives a digital signal of a captured image coming from an AFE (not shown) in the previous stage, performs a two-dimensional convolution process, and outputs the convolution process to the control apparatus 250 in the subsequent stage.
The image processing device 240 applies a blur restoration filter instructed by the control signal CTL2 of the control device 250 to a composite image obtained by combining images picked up at a plurality of rotation angles (0 degrees and 45 degrees). And filtering the input image signal obtained through the optical transfer function (OTF) of the input image signal.
The image processing apparatus 240 has a function (blur restoration function) for generating an image signal having no dispersion from the subject dispersion image signal from the image sensor 220. The image signal processing unit has a function of performing noise reduction filtering in the first step.
Note that the blur restoration filter is obtained from a PSF obtained by synthesizing individual point image intensity distributions (PSFs) corresponding to a plurality of rotation angles (0 degrees and 45 degrees in the present embodiment).
The processing of the image processing device 240 will be described in further detail later.

制御装置250は、選択切換部230、画像処理装置240、インタフェース部260を介した上位装置(たとえば電子レジスタ)等との通信等を制御し、システム全体の調停制御を司るものである。
制御装置250は、制御信号CTL1を選択切換部230に出力して光波面変調素子213aを回転させず(回転角0度)に第1の位置に保持した状態で撮像を行わせ、続いて、制御信号CTL1により光波面変調素子213aを回転させて(回転角45度)第2の位置に保持した状態で撮像を行わせる。
そして、制御装置250は、制御信号CTL2を画像処理装置240に出力して、複数の回転角度毎(0度と45度)に撮像された画像を合成して得られる合成画像に対して、複数の回転角度(本実施形態では0度と45度)に対応する個々の点像強度分布(PSF)を合成したPSFから算出して得られるボケ復元フィルタを作用させることによって焦点深度拡張を行うように制御する。
そして、制御装置250は、情報コードの特性に応じた光波面変調素子の回転制御および復元フィルタの選択制御後に読み取った情報コードを解読し、その解読した情報をたとえばインタフェース部260を介して上位装置に送信する等の制御を行う。
The control device 250 controls communication with a higher-level device (for example, an electronic register) via the selection switching unit 230, the image processing device 240, and the interface unit 260, and controls arbitration control of the entire system.
The control device 250 outputs a control signal CTL1 to the selection switching unit 230 to perform imaging in a state where the light wavefront modulation element 213a is held at the first position without rotating (rotating angle 0 degree). The optical wavefront modulation element 213a is rotated by the control signal CTL1 (rotation angle is 45 degrees), and imaging is performed in a state of being held at the second position.
Then, the control device 250 outputs a control signal CTL2 to the image processing device 240 and outputs a plurality of synthesized images obtained by synthesizing images captured at a plurality of rotation angles (0 degrees and 45 degrees). The depth of focus is expanded by applying a blur restoration filter obtained by calculating from a PSF obtained by synthesizing individual point image intensity distributions (PSF) corresponding to rotation angles (0 degrees and 45 degrees in the present embodiment). To control.
Then, the control device 250 decodes the information code read after the rotation control of the light wavefront modulation element and the selection control of the restoration filter in accordance with the characteristics of the information code, and the decoded information is transmitted to the host device via the interface unit 260, for example. Control to transmit to.

制御装置250は、上記複数のPSFに対して異なる重み付けを行ってこれら複数のPSFを合成するように制御する。
また、制御装置250は、複数のPSFの重み付けの割合に従って露出時間を変えて複数の回転角度毎に撮像を行うように制御する。
なお、本実施形態においては、重み付けおよび、または露出時間の比率は、復元性能を重視する回転角度に重く配分する。
また、本実施形態にいては、復元性能を重視する回転角度を、撮像画角の鉛直方向および水平方向の少なくとも一方とする。
The control device 250 performs control such that the plurality of PSFs are synthesized by performing different weighting on the plurality of PSFs.
Further, the control device 250 performs control so as to change the exposure time according to the weighting ratio of the plurality of PSFs and perform imaging at each of the plurality of rotation angles.
In the present embodiment, the weighting and / or the exposure time ratio are heavily allocated to the rotation angle where restoration performance is important.
In the present embodiment, the rotation angle that places importance on restoration performance is at least one of the vertical direction and the horizontal direction of the imaging field angle.

ここで、重み付けを行うPSF合成処理についての一例を説明する。
図8は、PSF2を示す図であり、図9は、図8のPSF2のMTF(Modulation Transfer Function:変調伝達関数)を示す図であり、図10は、本実施形態に係る合成PSF3を示す図であり、図11は、合成PSFのMTFを示す図である。
Here, an example of PSF synthesis processing for performing weighting will be described.
FIG. 8 is a diagram showing PSF2, FIG. 9 is a diagram showing an MTF (Modulation Transfer Function) of PSF2 in FIG. 8, and FIG. 10 is a diagram showing a synthesized PSF3 according to the present embodiment. FIG. 11 is a diagram showing the MTF of the synthetic PSF.

図8に示すボケPSF2にPSF1(点像)を合成して合成PSF3を生成する。合成したPSFが図10に示すようになる。
合成の方法は、たとえば露出時間の短い第1の撮影からPSF1(点像)を生成し、第2の画像からPSF2を生成する。
そして、第1の撮影露出条件と第2の撮影露出条件の比に応じた重みを考慮して合成PSF3を生成する。
たとえば、第1の撮影の露出量が100、第2の撮影の露出量が200であれば、PSF1とPSF2は1:2で合成する。
合成PSF3のMTFは、図11に示すように、露出の短い画像のPSF1を合成することで、図9に示すようなバウンドは発生しない。したがって、図11のMTFから生成した周波数変調を施すボケ復元フィルタも、いわゆる0割が発生しない。
A synthesized PSF 3 is generated by synthesizing PSF 1 (point image) with the blurred PSF 2 shown in FIG. The synthesized PSF is as shown in FIG.
In the combining method, for example, PSF1 (point image) is generated from the first photographing with a short exposure time, and PSF2 is generated from the second image.
Then, the combined PSF 3 is generated in consideration of the weight according to the ratio between the first shooting exposure condition and the second shooting exposure condition.
For example, if the exposure amount of the first shooting is 100 and the exposure amount of the second shooting is 200, PSF1 and PSF2 are combined at 1: 2.
As shown in FIG. 11, the MTF of the combined PSF 3 combines the PSF 1 of an image with a short exposure so that no bounce as shown in FIG. 9 occurs. Therefore, the blur restoration filter that performs frequency modulation generated from the MTF in FIG.

そして、本実施形態においては、光学系210と撮像素子220の相対的な位置は、選択切換部230により、光学系210に含まれる光波面変調素子と撮像素子220を相対的に回転させて取り付け位置が設定される。本実施形態においては、前述したように、制御装置250に応じて光波面変調素子を光学系210の光軸を中心に回転させてあるいはそのままの位置に保持して、第1の位置または第2の位置に設定される。
なお、たとえばPSFは頂部を通る中心線を中心に左右対称である。
In this embodiment, the relative positions of the optical system 210 and the image sensor 220 are attached by rotating the light wavefront modulation element and the image sensor 220 included in the optical system 210 by the selection switching unit 230. The position is set. In the present embodiment, as described above, the light wavefront modulation element is rotated around the optical axis of the optical system 210 or held in the same position in accordance with the control device 250, and the first position or the second position. The position is set.
For example, PSF is symmetric about a center line passing through the top.

図12(A),(B)は、基準位置(回転角度0度)と所定角度回転(45度回転)後のアナログPSFを示す図である。
図13(A),(B)は、図12(A)の基準位置(回転角度0度)のアナログPSFのA/D変換後のデジタルPSFおよびそのMTFを示す図である。
図14(A),(B)は、図12(B)の所定角度回転(45度回転)後のアナログPSFのA/D変換後のデジタルPSFおよびそのMTFを示す図である。
図15(A),(B)は、0度と45度のPSFを合成した後のデジタルPSFおよびそのMTFを示す図である。
FIGS. 12A and 12B are diagrams showing the analog PSF after a reference position (rotation angle 0 degree) and a predetermined angle rotation (45 degrees rotation).
FIGS. 13A and 13B are diagrams showing the digital PSF after A / D conversion of the analog PSF at the reference position (rotation angle 0 degree) in FIG. 12A and its MTF.
FIGS. 14A and 14B are diagrams showing the digital PSF after A / D conversion of the analog PSF after the predetermined angle rotation (45 degrees rotation) in FIG. 12B and the MTF thereof.
FIGS. 15A and 15B are diagrams showing a digital PSF and its MTF after the PSFs of 0 degrees and 45 degrees are combined.

上述した位相板により光束を規則的に分散し、デジタル処理により復元させ被写界深度の深い画像撮影を可能にする等の撮像装置においては、位相板で生成されるPSFはボケの広がる方向がたとえば画角の鉛直方向と水平方向に強く現れ、45度方向にボケ成分が少ない。
これを周波数分析を行うと鉛直方向、水平方向のMTFはそこにあるものの、図13(B)に示すように、45度方向はかなり低下している。
一方で復元フィルタは基本的に上記MTFの逆数であるので45度方向の周波数成分の係数は非常に高くなってしまう。
In an imaging apparatus that regularly disperses a light beam by the above-described phase plate and restores it by digital processing and enables image capturing with a deep depth of field, the PSF generated by the phase plate has a direction in which blur is spread. For example, it appears strongly in the vertical and horizontal directions of the angle of view, and there are few blur components in the 45 degree direction.
When this is analyzed by frequency analysis, the MTFs in the vertical direction and the horizontal direction are there, but as shown in FIG.
On the other hand, since the restoration filter is basically a reciprocal of the MTF, the coefficient of the frequency component in the 45 degree direction becomes very high.

一般に、ノイズ対策によりすでに述べたwiener型フィルタが復元フィルタとして用いられることが多いが、それを適用するとノイズを抑制する働き同様、図13(B)に示すように、ノイズレベルまで低下している45度方向に対してはゲインを抑制する効果が働き、結局のところ45度方向の本来必要な倍率まで上げられないことになる。これが原因で45度方向は復元しきれないことなる。   In general, the above-described Wiener type filter is often used as a restoration filter due to noise countermeasures. However, when it is applied, the noise level is reduced to a noise level as shown in FIG. The effect of suppressing the gain works for the 45 degree direction, and as a result, the originally required magnification in the 45 degree direction cannot be increased. For this reason, the 45 degree direction cannot be completely restored.

これに対して、本実施形態のように、複数の回転角度(ここでは0度と45度)のPSFを合成することにより、図15(B)に示すように、鉛直方向、水平方向のMTFにおいて、45度方向はかなり低下したものが、45度方向の本来必要な倍率まで上げられるようになっている。   On the other hand, as shown in FIG. 15B, by combining PSFs having a plurality of rotation angles (here, 0 degrees and 45 degrees) as in the present embodiment, the vertical and horizontal MTFs are combined. However, although the 45 degree direction has decreased considerably, it can be increased to the originally required magnification in the 45 degree direction.

図16は、元画像の一例を示す図であり、図17は、基準位置(回転角度0度)の場合のボケ画像を示す図であり、図18は、回転角度0度の復元画像を示す図であり、図19は回転角度45度の復元画像であり、図20は、回転角度0度と45度の合成ボケ画像を示す図であり、図21は、回転角度0度と45度の合成復元画像を示す図である。   FIG. 16 is a diagram illustrating an example of an original image, FIG. 17 is a diagram illustrating a blurred image at the reference position (rotation angle 0 degree), and FIG. 18 is a restored image having a rotation angle 0 degree. 19 is a restored image with a rotation angle of 45 degrees, FIG. 20 is a view showing a composite blurred image with rotation angles of 0 degrees and 45 degrees, and FIG. 21 is a view with rotation angles of 0 degrees and 45 degrees. It is a figure which shows a synthetic | combination restoration image.

これらの図からわかるように、回転角度0度の復元画像はボケが残ったような画像となり、回転角度45の復元画像は、0度の場合に比べて角度による違いはあるが、やはり十分な復元画像を得ることはできない。
これに対して、図21に示すように、回転角度0度と45度の合成復元画像は十分に鮮明な復元画像を得ることができる。
As can be seen from these figures, the restored image with a rotation angle of 0 degrees is an image with blur remaining, and the restored image with a rotation angle of 45 has a difference depending on the angle as compared with the case of 0 degree, but it is still sufficient. A restored image cannot be obtained.
On the other hand, as shown in FIG. 21, a composite restored image with rotation angles of 0 degrees and 45 degrees can provide a sufficiently clear restored image.

なお、本実施形態においては、45度回転させた場合について説明したが、図13(B)の状態から90度、180度、270度以外で回転させても、本発明の効果を十分に発現することができる。   In the present embodiment, the case where it is rotated by 45 degrees has been described, but the effect of the present invention can be fully exhibited even if it is rotated other than 90 degrees, 180 degrees, and 270 degrees from the state of FIG. can do.

以下、本実施形態のDEOSの原理、光学系、画像処理装置の構成および機能について具体的には説明する。   Hereinafter, the principle of the DEOS of the present embodiment, the optical system, and the configuration and function of the image processing apparatus will be specifically described.

まず、DEOSの基本原理について説明する。
図22に示すように、被写体の画像fがDEOS光学系Hに入ることにより、g画像が生成される。
これは、次のような式で表される。
First, the basic principle of DEOS will be described.
As shown in FIG. 22, when the subject image f enters the DEOS optical system H, a g image is generated.
This is expressed by the following equation.

[数2]
g=H*f
ただし、*はコンボリューションを表す。
[Equation 2]
g = H * f
However, * represents convolution.

生成された画像から被写体を求めるためには、次の処理を要する。   In order to obtain the subject from the generated image, the following processing is required.

[数3]
f=H-1*g
[Equation 3]
f = H -1 * g

ここで、Hに関するカーネルサイズと演算係数について説明する。
光学切り替え情報をKPn,KPn−1・・・とする。また、それぞれのH関数をHn,Hn−1、・・・・とする。
各々のスポット像が異なるため、各々のH関数は、次のようになる。
Here, the kernel size and calculation coefficient regarding H will be described.
The optical switching information is KPn, KPn-1,. In addition, each H function is defined as Hn, Hn-1,.
Since each spot image is different, each H function is as follows.

この行列の行数および/または列数の違いをカーネルサイズ、各々の数字を演算係数とする。
ここで、各々のH関数はメモリに格納しておいても構わないし、PSFを物体距離の関数としておき、物体距離によって計算し、H関数を算出することによって任意の物体距離に対して最適なフィルタを作るように設定できるようにしても構わない。また、H関数を物体距離の関数として、物体距離によってH関数を直接求めても構わない。
The difference in the number of rows and / or the number of columns in this matrix is the kernel size, and each number is the operation coefficient.
Here, each H function may be stored in a memory, and the PSF is set as a function of the object distance, and is calculated based on the object distance. By calculating the H function, an optimum object distance is obtained. It may be possible to set so as to create a filter. Alternatively, the H function may be directly obtained from the object distance using the H function as a function of the object distance.

本実施形態においては、図3に示すように、光学系210からの像を撮像素子220で受像して、画像処理装置240に入力させ、光学系に応じた変換係数を取得して、取得した変換係数をもって撮像素子220からの分散画像信号より分散のない画像信号を生成するように構成している。   In the present embodiment, as shown in FIG. 3, an image from the optical system 210 is received by the image sensor 220 and input to the image processing device 240, and a conversion coefficient corresponding to the optical system is acquired and acquired. An image signal having no dispersion is generated from the dispersion image signal from the image sensor 220 with a conversion coefficient.

なお、本実施形態において、分散とは、上述したように、位相板213aを挿入することにより、撮像素子220上ではピントのどこにも合わない画像を形成し、位相板213aによって深度の深い光束(像形成の中心的役割を成す)とフレアー(ボケ部分)を形成する現象をいい、像が分散してボケ部分を形成する振る舞いから収差と同様の意味合いが含まれる。したがって、本実施形態においては、収差として説明する場合もある。   In the present embodiment, as described above, dispersion means that, by inserting the phase plate 213a, an image that does not fit anywhere on the image sensor 220 is formed, and the phase plate 213a has a deep light flux ( It plays a central role in image formation) and a phenomenon of forming flare (blurred portion), and includes the same meaning as aberration because of the behavior of the image being dispersed to form a blurred portion. Therefore, in this embodiment, it may be described as aberration.

本実施形態においては、DEOSを採用し、高精細な画質を得ることが可能で、しかも、光学系を簡単化でき、コスト低減を図ることが可能となっている。
以下、この特徴について説明する。
In the present embodiment, DEOS can be employed to obtain high-definition image quality, and the optical system can be simplified and the cost can be reduced.
Hereinafter, this feature will be described.

図23(A)〜(C)は、撮像素子220の受光面でのスポット像を示している。
図23(A)は焦点が0.2mmずれた場合(Defocus=0.2mm)、図23(B)が合焦点の場合(Best focus)、図23(C)が焦点が−0.2mmずれた場合(Defocus=−0.2mm)の各スポット像を示している。
図23(A)〜(C)からもわかるように、本実施形態に係る撮像装置200においては、位相板213aを含む波面形成用光学素子群213によって深度の深い光束(像形成の中心的役割を成す)とフレアー(ボケ部分)が形成される。
FIGS. 23A to 23C show spot images on the light receiving surface of the image sensor 220.
23A shows a case where the focal point is shifted by 0.2 mm (Defocus = 0.2 mm), FIG. 23B shows a case where the focal point is a focal point (Best focus), and FIG. 23C shows a case where the focal point is shifted by −0.2 mm. In this case, each spot image is shown (Defocus = −0.2 mm).
As can be seen from FIGS. 23A to 23C, in the imaging apparatus 200 according to the present embodiment, a light beam having a deep depth (a central role of image formation) is generated by the wavefront forming optical element group 213 including the phase plate 213a. And flare (blurred part) are formed.

このように、本実施形態の撮像装置200において形成された1次画像FIMは、深度が非常に深い光束条件にしている。   As described above, the primary image FIM formed in the imaging apparatus 200 of the present embodiment has a light beam condition with a very deep depth.

図24(A),(B)は、本実施形態に係る撮像レンズ装置により形成される1次画像の変調伝達関数(MTF:Modulation Transfer Function)について説明するための図であって、図24(A)は撮像レンズ装置の撮像素子の受光面でのスポット像を示す図で、図24(B)が空間周波数に対するMTF特性を示している。
本実施形態においては、高精細な最終画像は後段の、たとえばデジタルシグナルプロセッサ(Digital Signal Processor)からなる画像処理装置240の補正処理に任せるため、図24(A),(B)に示すように、1次画像のMTFは本質的に低い値になっている。
24A and 24B are diagrams for explaining a modulation transfer function (MTF) of a primary image formed by the imaging lens device according to the present embodiment. FIG. 24A is a diagram showing a spot image on the light receiving surface of the imaging element of the imaging lens device, and FIG. 24B shows the MTF characteristics with respect to the spatial frequency.
In the present embodiment, the high-definition final image is left to the correction processing of the image processing apparatus 240 including a digital signal processor (Digital Signal Processor), for example, as shown in FIGS. 24A and 24B. The MTF of the primary image is essentially a low value.

以下、深度拡張光学系を採用した場合の各部構成および機能についてさらに説明する。   Hereinafter, each component structure and function when the depth extension optical system is adopted will be further described.

図25は、本実施形態の光波面変調素子を含む光学系の光軸をz軸とし、互いに直交する2軸をx、yとしたとき、下記式で表される波面収差の形状である。   FIG. 25 shows the shape of the wavefront aberration expressed by the following equation, where the optical axis of the optical system including the light wavefront modulation element of this embodiment is the z axis and two axes orthogonal to each other are x and y.

波面収差が0.5λ以下の範囲では位相の変化が小さく、通常の光学系と変わらないOTFを持つ。したがって波面収差が0.5λ程度になるまで絞って取り付け位置の調整を行う。
図26は、前記波面収差の形状と0.5λ以下の範囲を太線で表したものである。
ただし、λはたとえば可視光領域、赤外領域の波長を用いる。
In the range where the wavefront aberration is 0.5λ or less, the phase change is small, and the OTF is the same as that of a normal optical system. Therefore, the mounting position is adjusted by narrowing down until the wavefront aberration is about 0.5λ.
FIG. 26 shows the shape of the wavefront aberration and the range of 0.5λ or less by a bold line.
However, λ uses, for example, wavelengths in the visible light region and the infrared region.

なお、図25に示す形状は、一例であって、光波面変調素子が、光学系の光軸をz軸とし、互いに直交する2軸をx、yとしたとき、位相が下記式で表されるものであれば適用可能である。   The shape shown in FIG. 25 is an example, and the phase of the light wavefront modulation element is represented by the following equation when the optical axis of the optical system is the z axis and the two axes orthogonal to each other are x and y. Anything is applicable.

画像処理装置240は、上述したように、撮像素子220による1次画像FIMを受けて、1次画像の空間周波数におけるMTFをいわゆる持ち上げる所定の補正処理等を施して高精細な最終画像FNLIMを形成する。   As described above, the image processing apparatus 240 receives the primary image FIM from the image sensor 220, performs a so-called predetermined correction process for raising the MTF at the spatial frequency of the primary image, and forms a high-definition final image FNLIM. To do.

画像処理装置240のMTF補正処理は、たとえば図27の曲線Aで示すように、本質的に低い値になっている1次画像のMTFを、空間周波数をパラメータとしてエッジ強調、クロマ強調等の後処理にて、図27中曲線Bで示す特性に近づく(達する)ような補正を行う。
なお、本実施形態における全ての補正は、空間周波数のパラメータによる。
The MTF correction processing of the image processing device 240 is performed after edge enhancement, chroma enhancement, etc., using the MTF of the primary image, which is essentially a low value, as shown by a curve A in FIG. In the process, correction is performed so as to approach (reach) the characteristics indicated by the curve B in FIG.
It should be noted that all corrections in the present embodiment are based on spatial frequency parameters.

本実施形態においては、図27に示すように、光学的に得られる空間周波数に対するMTF特性曲線Aに対して、最終的に実現したいMTF特性曲線Bを達成するためには、それぞれの空間周波数に対し、図28に示すようにエッジ強調等の強弱を付け、元の画像(1次画像)に対して補正をかける。
たとえば、図27のMTF特性の場合、空間周波数に対するエッジ強調の曲線は、図28に示すようになる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 27, in order to achieve the MTF characteristic curve B to be finally realized with respect to the MTF characteristic curve A with respect to the optically obtained spatial frequency, each spatial frequency is changed to each spatial frequency. On the other hand, as shown in FIG. 28, the original image (primary image) is corrected by applying strength such as edge enhancement.
For example, in the case of the MTF characteristic of FIG. 27, the curve of edge enhancement with respect to the spatial frequency is as shown in FIG.

すなわち、空間周波数の所定帯域内における低周波数側および高周波数側でエッジ強調を弱くし、中間周波数領域においてエッジ強調を強くして補正を行うことにより、所望のMTF特性曲線Bを仮想的に実現する。   That is, a desired MTF characteristic curve B is virtually realized by performing correction by weakening edge enhancement on the low frequency side and high frequency side within a predetermined spatial frequency band and strengthening edge enhancement in the intermediate frequency region. To do.

このように、実施形態に係る撮像装置200は、基本的に、1次画像を形成する光学系210および撮像素子220と、1次画像を高精細な最終画像に形成する画像処理装置240からなり、光学系システムの中に、波面成形用の光学素子を新たに設けるか、またはガラス、プラスチックなどのような光学素子の面を波面成形用に成形したものを設けることにより、結像の波面を変形(変調)し、そのような波面をCCDやCMOSセンサからなる撮像素子220の撮像面(受光面)に結像させ、その結像1次画像を、画像処理装置240を通して高精細画像を得る画像形成システムである。
本実施形態では、撮像素子220による1次画像は深度が非常に深い光束条件にしている。そのために、1次画像のMTFは本質的に低い値になっており、そのMTFの補正を画像処理装置240で行う。
As described above, the imaging apparatus 200 according to the embodiment basically includes the optical system 210 and the imaging element 220 that form a primary image, and the image processing apparatus 240 that forms the primary image into a high-definition final image. In the optical system, a wavefront shaping optical element is newly provided, or an optical element such as glass, plastic or the like is formed for wavefront shaping, thereby forming an imaging wavefront. The image is deformed (modulated), and such a wavefront is imaged on the imaging surface (light-receiving surface) of the imaging device 220 including a CCD or CMOS sensor, and a high-definition image is obtained from the imaged primary image through the image processing device 240. An image forming system.
In the present embodiment, the primary image from the image sensor 220 has a light flux condition with a very deep depth. For this reason, the MTF of the primary image is essentially a low value, and the MTF is corrected by the image processing device 240.

ここで、本実施形態における撮像装置200における結像のプロセスを、波動光学的に考察する。
物点の1点から発散された球面波は結像光学系を通過後、収斂波となる。そのとき、結像光学系が理想光学系でなければ収差が発生する。波面は球面でなく複雑な形状となる。幾何光学と波動光学の間を取り持つのが波面光学であり、波面の現象を取り扱う場合に便利である。
結像面における波動光学的MTFを扱うとき、結像光学系の射出瞳位置における波面情報が重要となる。
MTFの計算は結像点における波動光学的強度分布のフーリエ変換で求まる。その波動光学的強度分布は波動光学的振幅分布を2乗して得られるが、その波動光学的振幅分布は射出瞳における瞳関数のフーリエ変換から求まる。
さらにその瞳関数はまさに射出瞳位置における波面情報(波面収差)そのものからであることから、その光学系210を通して波面収差が厳密に数値計算できればMTFが計算できることになる。
Here, the imaging process in the imaging apparatus 200 in the present embodiment will be considered in terms of wave optics.
A spherical wave diverging from one of the object points becomes a convergent wave after passing through the imaging optical system. At that time, aberration occurs if the imaging optical system is not an ideal optical system. The wavefront is not a spherical surface but a complicated shape. Wavefront optics lies between geometric optics and wave optics, which is convenient when dealing with wavefront phenomena.
When dealing with the wave optical MTF on the imaging plane, the wavefront information at the exit pupil position of the imaging optical system is important.
The MTF is calculated by Fourier transform of the wave optical intensity distribution at the imaging point. The wave optical intensity distribution is obtained by squaring the wave optical amplitude distribution, and the wave optical amplitude distribution is obtained from the Fourier transform of the pupil function in the exit pupil.
Further, since the pupil function is exactly from the wavefront information (wavefront aberration) at the exit pupil position, if the wavefront aberration can be strictly calculated numerically through the optical system 210, the MTF can be calculated.

したがって、所定の手法によって射出瞳位置での波面情報に手を加えれば、任意の結像面におけるMTF値は変更可能である。
本実施形態においても、波面の形状変化を波面形成用光学素子で行うのが主であるが、まさにphase(位相、光線に沿った光路長)に増減を設けて目的の波面形成を行っている。
そして、目的の波面形成を行えば、射出瞳からの射出光束は、図23(A)〜(C)に示す幾何光学的なスポット像からわかるように、光線の密な部分と疎の部分から形成される。
この光束状態のMTFは空間周波数の低いところでは低い値を示し、空間周波数の高いところまでは何とか解像力は維持している特徴を示している。
すなわち、この低いMTF値(または、幾何光学的にはこのようなスポット像の状態)であれば、エリアジングの現象を発生させないことになる。
つまり、ローパスフィルタが必要ないのである。
そして、後段のDSP等からなる画像処理装置240でMTF値を低くしている原因のフレアー的画像を除去すれば良いのである。それによってMTF値は著しく向上する。
Therefore, if the wavefront information at the exit pupil position is modified by a predetermined method, the MTF value on an arbitrary imaging plane can be changed.
In this embodiment, the wavefront shape is mainly changed by the wavefront forming optical element, but the target wavefront is formed by increasing or decreasing the phase (phase, optical path length along the light beam). .
Then, if the desired wavefront formation is performed, the light flux emitted from the exit pupil is from the dense and sparse portions of the light, as can be seen from the geometric optical spot images shown in FIGS. It is formed.
The MTF in the luminous flux state shows a low value at a low spatial frequency and a characteristic that the resolving power is managed up to a high spatial frequency.
That is, if this MTF value is low (or such a spot image state in terms of geometrical optics), the phenomenon of aliasing will not occur.
That is, a low-pass filter is not necessary.
Then, the flare-like image that causes the MTF value to be lowered may be removed by the image processing apparatus 240 including a DSP or the like at the subsequent stage. Thereby, the MTF value is significantly improved.

次に、本実施形態および従来光学系のMTFのレスポンスについて考察する。   Next, the response of the MTF of this embodiment and the conventional optical system will be considered.

図29は、従来の光学系の場合において物体が焦点位置にあるときと焦点位置から外れたときのMTFのレスポンス(応答)を示す図である。
図30は、光波面変調素子を有する本実施形態の光学系の場合において物体が焦点位置にあるときと焦点位置から外れたときのMTFのレスポンスを示す図である。
また、図31は、本実施形態に係る撮像装置のデータ復元後のMTFのレスポンスを示す図である。
FIG. 29 is a diagram showing the MTF response when the object is at the focal position and when the object is out of the focal position in the case of the conventional optical system.
FIG. 30 is a diagram illustrating the response of the MTF when the object is at the focal position and when the object is out of the focal position in the optical system of the present embodiment having the light wavefront modulation element.
FIG. 31 is a diagram illustrating a response of the MTF after data restoration of the imaging apparatus according to the present embodiment.

図からもわかるように、光波面変調素子を有する光学系の場合、物体が焦点位置から外れた場合でもMTFのレスポンスの変化が光波面変調素子を挿入してない光学系よりも少なくなる。
この光学系によって結像された画像は、コンボリューションフィルタによる処理によって、MTFのレスポンスが向上する。
As can be seen from the figure, in the case of an optical system having a light wavefront modulation element, the change in the response of the MTF is less than that in an optical system in which no light wavefront modulation element is inserted even when the object deviates from the focal position.
The MTF response of the image formed by this optical system is improved by the processing by the convolution filter.

図30に示した、位相板を持つ光学系のOTFの絶対値(MTF)はナイキスト周波数において0.1以上であることが好ましい。
なぜなら、図31に示した復元後のOTFを達成するためには復元フィルタでゲインを上げることになるが、センサのノイズも同時に上げることになる。そのため、ナイキスト周波数付近の高周波ではできるたけゲインを上げずに復元を行うことが好ましい。
通常の光学系の場合、ナイキスト周波数でのMTFが0.1以上あれば解像する。
したがって、復元前のMTFが0.1以上あれば復元フィルタでナイキスト周波数でのゲインを上げずに済む。復元前のMTFが0.1未満であると、復元画像がノイズの影響を大きく受けた画像になるため好ましくない。
The absolute value (MTF) of the OTF of the optical system having the phase plate shown in FIG. 30 is preferably 0.1 or more at the Nyquist frequency.
This is because, in order to achieve the OTF after restoration shown in FIG. 31, the gain is increased by the restoration filter, but the noise of the sensor is also raised at the same time. For this reason, it is preferable to perform restoration without increasing the gain as much as possible at high frequencies near the Nyquist frequency.
In the case of a normal optical system, resolution is achieved if the MTF at the Nyquist frequency is 0.1 or more.
Therefore, if the MTF before restoration is 0.1 or more, the restoration filter does not need to increase the gain at the Nyquist frequency. If the MTF before restoration is less than 0.1, the restored image becomes an image greatly affected by noise, which is not preferable.

次に、画像処理装置240のボケ画像復元処理について説明する。
図32は、一般的な光学系のベストフォーカス(BestForcus)位置でのMTF(Modulation Transfer Function:振幅伝達関数)特性図である。
図33は、本実施形態の光学系のMTF特性を示す図である。
Next, the blurred image restoration process of the image processing apparatus 240 will be described.
FIG. 32 is an MTF (Modulation Transfer Function) characteristic diagram at the best focus position of a general optical system.
FIG. 33 is a diagram showing the MTF characteristics of the optical system of the present embodiment.

本実施形態の光学系210を通過して撮像素子220で得られた撮像画像はボケているため中域〜高域にかけてMTFが低下している。このMTFを演算によって上昇させる。レンズ単体の振幅特性であるMTFに対し、画像処理を含めたトータルの振幅特性はSFR(Spatial Frequency Response)と呼ばれている。
ボケ画像を発生させるPSFの周波数特性がMTFであるので、これから所望のSFR特性まで引き上げるゲイン特性に設計してできたものがボケ復元フィルタである。どの程度のゲインにするかはノイズや偽像とのバランスで決めていく。
Since the captured image obtained by the image sensor 220 after passing through the optical system 210 of the present embodiment is blurred, the MTF decreases from the middle range to the high range. This MTF is raised by calculation. In contrast to the MTF, which is the amplitude characteristic of a single lens, the total amplitude characteristic including image processing is called SFR (Spatial Frequency Response).
Since the frequency characteristic of a PSF that generates a blurred image is MTF, a blur restoration filter is designed to have a gain characteristic that is increased to a desired SFR characteristic. The degree of gain is determined by the balance with noise and false images.

このボケ復元フィルタを元画像にデジタルフィルタリングする方法は、画像をフーリエ変換し周波数領域でフィルタと周波数毎に積を取る方法と、空間領域でコンボリューション(Convolution)演算(畳み込み演算)を行なう方法がある。ここでは後者での実現方法を説明する。コンボリューション演算は下記の式で表される。   There are two methods for digitally filtering this blur restoration filter to the original image: Fourier transforming the image and multiplying the filter and frequency in the frequency domain, and convolution (convolution) in the spatial domain. is there. Here, the latter implementation method will be described. The convolution operation is expressed by the following equation.

ただし、fはフィルタ(filter)カーネルを示している(ここでは計算を容易にするために180度回転済みのものを使用している)。
また、Aは元画像、Bはフィルタリングされた画像(ボケ復元画像)を示している。
この式から分かる通り、fを画像に重ねて各タップ同士の積和した結果をその重ねた中心座標の値とすることである。
Here, f indicates a filter kernel (here, the one rotated 180 degrees is used for easy calculation).
A indicates an original image, and B indicates a filtered image (blurred restored image).
As can be seen from this equation, f is superimposed on the image and the result of summing the products of the taps is taken as the value of the center coordinate that has been superimposed.

次に、図34(A)〜(C)に関連付けて3*3のフィルタを例に挙げ具体的に説明する。
図34(A)の復元フィルタ(既に180度回転済み)を図34(B)に示すボケ画像のA(i,j)上にフィルタの中心f(0,0)を重ね、各タップ同士の積をとりこの9個の総和値を図34(C)に示すボケ復元画像のB(i,j)とする。
(i,j)を画像全体に渡ってスキャンすると新たなB画像が生成される。これがデジタルフィルタである。ここではフィルタがボケ復元目的であるので、この処理を行なうことでボケ復元処理を実施することができる。
Next, a 3 * 3 filter will be specifically described with reference to FIGS. 34 (A) to 34 (C).
The restoration filter of FIG. 34 (A) (already rotated by 180 degrees) is overlaid with the filter center f (0,0) on A (i, j) of the blurred image shown in FIG. The product is taken and the nine total values are set as B (i, j) of the blurred restored image shown in FIG.
When (i, j) is scanned over the entire image, a new B image is generated. This is a digital filter. Here, since the filter is used for blur restoration, blur restoration processing can be performed by performing this processing.

次に、画像処理装置240の構成および処理について説明する。
図35は、本実施形態に係る画像処理装置の構成例を示すブロック図である。
Next, the configuration and processing of the image processing apparatus 240 will be described.
FIG. 35 is a block diagram illustrating a configuration example of the image processing apparatus according to the present embodiment.

画像処理装置240は、図35に示すように、生(RAW)バッファメモリ241、コンボリューション演算器242、記憶手段としてのカーネルデータ格納ROM243、およびコンボリューション制御部244を有する。   As shown in FIG. 35, the image processing apparatus 240 includes a raw (RAW) buffer memory 241, a convolution calculator 242, a kernel data storage ROM 243 serving as storage means, and a convolution control unit 244.

コンボリューション制御部244は、コンボリューション処理のオンオフ、画面サイズ、カーネルデータの入れ替え等の制御を行い、制御装置250により制御される。   The convolution control unit 244 controls the convolution process on / off, the screen size, the replacement of kernel data, and the like, and is controlled by the control device 250.

また、カーネルデータ格納ROM243には、図36および図37に示すように予め用意されたそれぞれの光学系のPSFにより算出されたコンボリューション用のカーネルデータが格納されており、制御装置250によって情報コードおよび、または物体距離情報を取得し、コンボリューション制御部244を通じてカーネルデータを選択制御する。   The kernel data storage ROM 243 stores kernel data for convolution calculated by the PSF of each optical system prepared in advance as shown in FIGS. Alternatively, the object distance information is acquired, and the kernel data is selected and controlled through the convolution control unit 244.

図36の例では、カーネルデータAは光学倍率(×1.5)、カーネルデータBは光学倍率(×5)、カーネルデータCは光学倍率(×10)に対応したデータとなっている。   In the example of FIG. 36, the kernel data A is data corresponding to the optical magnification (× 1.5), the kernel data B is data corresponding to the optical magnification (× 5), and the kernel data C is data corresponding to the optical magnification (× 10).

また、図37の例では、カーネルデータAは物体距離情報が100mm、カーネルデータBは物体距離が500mm、カーネルデータCは物体距離が4mに対応したデータとなっている。   In the example of FIG. 37, the kernel data A is data corresponding to the object distance information of 100 mm, the kernel data B is data corresponding to the object distance of 500 mm, and the kernel data C is data corresponding to the object distance of 4 m.

以上説明したように、本実施形態によれば、光軸を中心に回転可能な光波面変調素子を含む光学系210と、記光学系を介した像を撮像する撮像素子220と、複数の回転角度に対応する個々の点像強度分布(PSF)を合成したPSFから得られたボケ復元フィルタを用いてボケ復元処理を行う画像処理装置240と、複数の回転角度毎に撮像された画像を合成して得られる合成画像に対して記ボケ復元フィルタを作用させることによって焦点深度拡張を行うように制御する制御装置250とを有することから、復元画が良好となるようなボカシを実現でき、また、光学系を簡単化でき、コスト低減を図ることができ、適切な画質の、ノイズの影響が小さく、必要な方向の復元を的確に行うことが可能で良好な復元画像を得ることができる利点がある。
また、コンボリューション演算時に用いるカーネルサイズやその数値演算で用いられる係数を可変とし、操作部等の入力により知り、適性となるカーネルサイズや上述した係数を対応させることにより、倍率やデフォーカス範囲を気にすることなくレンズ設計ができ、かつ精度の高いコンボリュ−ションによる画像復元が可能となる利点がある。
As described above, according to the present embodiment, the optical system 210 including the light wavefront modulation element that can rotate around the optical axis, the imaging element 220 that captures an image via the optical system, and a plurality of rotations An image processing device 240 that performs a blur restoration process using a blur restoration filter obtained from a PSF obtained by synthesizing individual point image intensity distributions (PSFs) corresponding to angles, and an image captured at each of a plurality of rotation angles are synthesized. And a control device 250 that controls the depth of focus to be extended by applying a blur restoration filter to the synthesized image obtained in this manner, and can realize a blur that improves the restored image. The optical system can be simplified, the cost can be reduced, the image quality can be reduced, the influence of noise is small, the necessary direction can be accurately restored, and a good restored image can be obtained. There is a point.
In addition, the kernel size used in the convolution calculation and the coefficient used in the numerical calculation are made variable, know by input from the operation unit, etc., and by making the appropriate kernel size and the above-mentioned coefficient correspond, the magnification and defocus range can be set. There is an advantage that the lens can be designed without concern and the image can be restored by convolution with high accuracy.

また、本実施形態においては、結像レンズ212による撮像素子220の受光面への結像の波面を変形させる波面形成用光学素子を有する撮像レンズ系と、撮像素子220による1次画像FIMを受けて、1次画像の空間周波数におけるMTFをいわゆる持ち上げる所定の補正処理等を施して高精細な最終画像FNLIMを形成する画像処理装置240とを有することから、高精細な画質を得ることが可能となるという利点がある。
また、光学系210の構成を簡単化でき、製造が容易となり、コスト低減を図ることができる。
In this embodiment, the imaging lens system having a wavefront forming optical element that deforms the wavefront of the imaging on the light receiving surface of the imaging element 220 by the imaging lens 212 and the primary image FIM by the imaging element 220 are received. In addition, since the image processing apparatus 240 that forms a high-definition final image FNLIM by performing a predetermined correction process or the like that raises the MTF at the spatial frequency of the primary image, the high-definition image quality can be obtained. There is an advantage of becoming.
Further, the configuration of the optical system 210 can be simplified, manufacturing becomes easy, and cost reduction can be achieved.

ところで、CCDやCMOSセンサを撮像素子として用いた場合、画素ピッチから決まる解像力限界が存在し、光学系の解像力がその限界解像力以上であるとエリアジングのような現象が発生し、最終画像に悪影響を及ぼすことは周知の事実である。
画質向上のため、可能な限りコントラストを上げることが望ましいが、そのことは高性能なレンズ系を必要とする。
By the way, when a CCD or CMOS sensor is used as an image sensor, there is a resolution limit determined by the pixel pitch, and if the resolution of the optical system exceeds the limit resolution, a phenomenon such as aliasing occurs, which adversely affects the final image. It is a well-known fact that
In order to improve image quality, it is desirable to increase the contrast as much as possible, but this requires a high-performance lens system.

しかし、上述したように、CCDやCMOSセンサを撮像素子として用いた場合、エリアジングが発生する。
現在、エリアジングの発生を避けるため、撮像レンズ装置では、一軸結晶系からなるローパスフィルタを併用し、エリアジングの現象の発生を避けている。
このようにローパスフィルタを併用することは、原理的に正しいが、ローパスフィルタそのものが結晶でできているため、高価であり、管理が大変である。また、光学系に使用することは光学系をより複雑にしているという不利益がある。
However, as described above, aliasing occurs when a CCD or CMOS sensor is used as an image sensor.
Currently, in order to avoid the occurrence of aliasing, the imaging lens apparatus uses a low-pass filter made of a uniaxial crystal system to avoid the occurrence of aliasing.
The use of a low-pass filter in this way is correct in principle, but the low-pass filter itself is made of crystal, so it is expensive and difficult to manage. Moreover, there is a disadvantage that the use of the optical system makes the optical system more complicated.

以上のように、時代の趨勢でますます高精細の画質が求められ、高精細な画像を形成するためには、従来の撮像レンズ装置では光学系を複雑にしなければならない。複雑にすれば、製造が困難になったりし、また高価なローパスフィルタを利用したりするとコストアップにつながる。
しかし、本実施形態によれば、ローパスフィルタを用いなくとも、エリアジングの現象の発生を避けることができ、高精細な画質を得ることができる。
As described above, with the trend of the times, high definition image quality is increasingly required, and in order to form a high definition image, the conventional imaging lens apparatus must have a complicated optical system. If it is complicated, manufacturing becomes difficult, and if an expensive low-pass filter is used, the cost increases.
However, according to this embodiment, the occurrence of aliasing can be avoided without using a low-pass filter, and high-definition image quality can be obtained.

なお、本実施形態において、光学系の波面形成用光学素子を絞りより物体側、絞りと同一あるいは絞りより結像レンズ側の何れに配置しても同様の作用効果を得ることができる。   In the present embodiment, the same effect can be obtained even if the wavefront forming optical element of the optical system is arranged on the object side from the stop, on the same side as the stop, or on the imaging lens side from the stop.

なお、上述した実施形態においては、制御装置250は、制御信号CTL1を選択切換部230に出力して光波面変調素子213aを回転させず(回転角0度)に第1の位置に保持した状態で撮像を行わせ、続いて、制御信号CTL1により光波面変調素子213aを回転させて(回転角45度)第2の位置に保持した状態で撮像を行わせるように構成したが、本発明はこれに限定されるものではい。   In the above-described embodiment, the control device 250 outputs the control signal CTL1 to the selection switching unit 230 and keeps the light wavefront modulation element 213a in the first position without rotating (rotating angle 0 degree). Then, the optical wavefront modulation element 213a is rotated by the control signal CTL1 (rotation angle 45 degrees), and the image is captured while being held at the second position. It is not limited to this.

たとえば、図示しないが、光学系210に光軸を中心に回転可能な複数の光波面変調素子を配置する。この場合、たとえば基準位置(回転角度0度)に対応する第1の光波面変調素子と、回転角度45に対応するように配置された第2の光波面変調素子を配置する。
そして、撮像された画像に対してボケ復元フィルタを作用させることによって焦点深度拡張を行う。
この場合、選択切換部が不要となることから、モータ等が不要で装置構成の簡単化、小型化を図ることが可能となる。
For example, although not shown, a plurality of light wavefront modulation elements that can rotate around the optical axis are arranged in the optical system 210. In this case, for example, a first light wavefront modulation element corresponding to the reference position (rotation angle 0 degree) and a second light wavefront modulation element arranged to correspond to the rotation angle 45 are arranged.
The depth of focus is extended by applying a blur restoration filter to the captured image.
In this case, since the selection switching unit is not necessary, a motor or the like is unnecessary, and the apparatus configuration can be simplified and downsized.

あるいは、光学系210に、光学特性上、光軸を回転させて組み合わせた複数の光波面変調素子と同等の特性をもつ一つの光波面変調素子を配置する。
そして、撮像された画像に対してボケ復元フィルタを作用させることによって焦点深度拡張を行う。
この場合、選択切換部で、光波面変調素子が一つでいいことから、さらなる装置構成の簡単化、小型化を図ることが可能となる。
Alternatively, one optical wavefront modulation element having characteristics equivalent to a plurality of optical wavefront modulation elements that are combined by rotating the optical axis is arranged in the optical system 210 in terms of optical characteristics.
The depth of focus is extended by applying a blur restoration filter to the captured image.
In this case, since only one light wavefront modulation element is required in the selection switching unit, it is possible to further simplify the apparatus configuration and reduce the size.

なお、図4の光学系は一例であり、本発明は図4の光学系に対して用いられるものとは限らない。また、スポット形状についても図5および図6は一例であり、本実施形態のスポット形状は、図5および図6に示すものとは限らない。
また、図36、および図37のカーネルデータ格納ROMに関しても、光学倍率、Fナンバやそれぞれのカーネルのサイズ、値に対して用いられるものとは限らない。また用意するカーネルデータの数についても3個とは限らない。
The optical system in FIG. 4 is an example, and the present invention is not necessarily used for the optical system in FIG. 5 and 6 are only examples of the spot shape, and the spot shape of the present embodiment is not necessarily shown in FIGS.
Also, the kernel data storage ROMs in FIGS. 36 and 37 are not necessarily used for the optical magnification, F number, and the size and value of each kernel. Also, the number of kernel data to be prepared is not limited to three.

本発明の実施形態に係る撮像装置としての情報コード読取装置の一例を示す外観図である。1 is an external view showing an example of an information code reading device as an imaging device according to an embodiment of the present invention. 情報コードを例を示す図である。It is a figure which shows an example of an information code. 図1の情報コード読取装置に適用される撮像装置の構成例を示すブロックである。It is a block which shows the structural example of the imaging device applied to the information code reader of FIG. 本実施形態に係る光学系の構成例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structural example of the optical system which concerns on this embodiment. 広角側の像高中心のスポット形状を示す図である。It is a figure which shows the spot shape of the image height center on the wide angle side. 望遠側の像高中心のスポット形状を示す図である。It is a figure which shows the spot shape of the image height center of a telephoto side. 本実施形態に係る選択切換部の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the selection switching part which concerns on this embodiment. PSF2を示す図である。It is a figure which shows PSF2. 図8のPSF2のMTFを示す図である。It is a figure which shows MTF of PSF2 of FIG. 本実施形態に係る合成PSF3を示す図である。It is a figure which shows synthetic | combination PSF3 which concerns on this embodiment. 合成PSFのMTFを示す図である。It is a figure which shows MTF of synthetic | combination PSF. 基準位置(回転角度0度)と所定角度回転(45度回転)後のアナログPSFを示す図である。It is a figure which shows analog PSF after a reference position (rotation angle 0 degree) and predetermined angle rotation (45 degree rotation). 図12(A)の基準位置(回転角度0度)のアナログPSFのA/D変換後のデジタルPSFおよびそのMTFを示す図である。It is a figure which shows the digital PSF after the A / D conversion of the analog PSF of the reference position (rotation angle 0 degree) of FIG. 図12(B)の所定角度回転(45度回転)後のアナログPSFのA/D変換後のデジタルPSFおよびそのMTFを示す図である。It is a figure which shows the digital PSF after the A / D conversion of the analog PSF after the predetermined angle rotation (45 degree rotation) of FIG. 0度と45度のPSFを合成した後のデジタルPSFおよびそのMTFを示す図である。It is a figure which shows digital PSF after synthesize | combining 0 degree and 45 degree PSF, and its MTF. 元画像の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of an original image. 基準位置(回転角度0度)の場合のボケ画像を示す図である。It is a figure which shows the blurring image in the case of a reference position (rotation angle 0 degree). 回転角度0度の復元画像を示す図である。It is a figure which shows the decompression | restoration image of rotation angle 0 degree. 回転角度45度の復元画像である。It is a restored image with a rotation angle of 45 degrees. 回転角度0度と45度の合成ボケ画像を示す図である。It is a figure which shows the synthetic | combination blur image of rotation angle 0 degree and 45 degree | times. 回転角度0度と45度の合成復元画像を示す図である。It is a figure which shows the synthetic | combination restoration image of rotation angle 0 degree and 45 degree | times. DEOSの原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle of DEOS. 本実施形態に係る撮像素子の受光面でのスポット像を示す図であって、(A)は焦点が0.2mmずれた場合(Defocus=0.2mm)、(B)が合焦点の場合(Best focus)、(C)が焦点が−0.2mmずれた場合(Defocus=−0.2mm)の各スポット像を示す図である。It is a figure which shows the spot image in the light-receiving surface of the image pick-up element which concerns on this embodiment, Comprising: (A) is a case where a focus shifts 0.2 mm (Defocus = 0.2 mm), (B) is a focus point ( Best focus), (C) is a diagram showing each spot image when the focal point is deviated by −0.2 mm (Defocus = −0.2 mm). 本実施形態に係る撮像素子により形成される1次画像のMTFについて説明するための図であって、(A)は撮像レンズ装置の撮像素子の受光面でのスポット像を示す図で、(B)が空間周波数に対するMTF特性を示している。It is a figure for demonstrating MTF of the primary image formed with the image pick-up element concerning this embodiment, Comprising: (A) is a figure which shows the spot image in the light-receiving surface of the image pick-up element of an image pick-up lens apparatus, (B ) Shows the MTF characteristics with respect to the spatial frequency. 本実施形態の光波面変調素子を含む光学系の光軸をz軸とし、互いに直交する2軸をx、yとしたとき、式で表される波面収差の形状を示す図である。It is a figure which shows the shape of the wavefront aberration represented by a type | formula, when the optical axis of the optical system containing the optical wavefront modulation element of this embodiment is set to az axis, and two mutually orthogonal axes are set to x and y. 波面収差の形状と0.5λ以下の範囲を太線で表した図である。It is the figure which represented the shape of the wavefront aberration and the range below 0.5 (lambda) with the thick line. 本実施形態に係る画像処理装置におけるMTF補正処理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the MTF correction process in the image processing apparatus which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る画像処理装置におけるMTF補正処理を具体的に説明するための図である。It is a figure for demonstrating concretely the MTF correction process in the image processing apparatus which concerns on this embodiment. 従来の光学系の場合において物体が焦点位置にあるときと焦点位置から外れたときのMTFのレスポンス(応答)を示す図である。It is a figure which shows the response (response) of MTF when an object exists in a focus position in the case of the conventional optical system, and when it remove | deviated from the focus position. 光波面変調素子を有する本実施形態の光学系の場合において物体が焦点位置にあるときと焦点位置から外れたときのMTFのレスポンスを示す図である。It is a figure which shows the response of MTF when an object exists in a focus position in the case of the optical system of this embodiment which has a light wavefront modulation element, and remove | deviates from a focus position. 本実施形態に係る撮像装置のデータ復元後のMTFのレスポンスを示す図である。It is a figure which shows the response of MTF after the data restoration of the imaging device which concerns on this embodiment. 一般的な光学系のベストフォーカス(BestForcus)位置でのMTF(Modulation Transfer Function 振幅伝達関数)特性図である。It is a MTF (Modulation Transfer Function amplitude characteristic) characteristic figure in the best focus (Best Focus) position of a general optical system. 本実施形態の光学系のMTF特性を示す図である。It is a figure which shows the MTF characteristic of the optical system of this embodiment. 本実施形態におけるボケ復元処理のコンボリューション演算の説明図である。It is explanatory drawing of the convolution calculation of a blur decompression | restoration process in this embodiment. 本実施形態に係る画像処理装置の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the image processing apparatus which concerns on this embodiment. カーネルデータROMの格納データの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the storage data of kernel data ROM. カーネルデータROMの格納データの他例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the stored data of kernel data ROM. 一般的な撮像レンズ装置の構成および光束状態を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure and light beam state of a general imaging lens apparatus. 図38の撮像レンズ装置の撮像素子の受光面でのスポット像を示す図であって、(A)は焦点が0.2mmずれた場合(Defocus=0.2mm)、(B)が合焦点の場合(Best focus)、(C)が焦点が−0.2mmずれた場合(Defocus=−0.2mm)の各スポット像を示す図である。It is a figure which shows the spot image in the light-receiving surface of the image pick-up element of the imaging lens apparatus of FIG. In the case (Best focus), (C) is a diagram showing each spot image when the focal point is shifted by -0.2 mm (Defocus = -0.2 mm).

符号の説明Explanation of symbols

100・・・情報コード読取装置、121・・・情報コード、200・・・撮像装置、210・・・光学系、220・・・撮像素子、230・・・選択切換部、240・・・画像処理装置、250・・・制御装置、211・・・物体側レンズ、212・・・結像レンズ、213・・・波面形成用光学素子、213a・・・位相板(光波面変調素子)、242・・・コンボリューション演算器、243・・・カーネルデータ格納ROM、244・・・コンボリューション制御部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Information code reading device, 121 ... Information code, 200 ... Imaging device, 210 ... Optical system, 220 ... Imaging element, 230 ... Selection switching part, 240 ... Image Processing device 250... Control device 211... Object side lens 212. Image forming lens 213 Wavefront forming optical element 213 a Phase plate (light wavefront modulation element) 242 ... Convolution calculator, 243 ... Kernel data storage ROM, 244 ... Convolution controller.

Claims (11)

光軸を中心に回転可能な光波面変調素子を含む光学系と、
前記光学系を介した像を撮像する撮像素子と、
複数の回転角度に対応する個々の点像強度分布(PSF)を合成したPSFから得られたボケ復元フィルタと、
前記複数の回転角度毎に撮像された画像を合成して得られる合成画像に対して前記ボケ復元フィルタを作用させることによって焦点深度拡張を行うように制御する制御部と
を有する撮像装置。
An optical system including an optical wavefront modulation element rotatable around an optical axis;
An image sensor that captures an image via the optical system;
A blur restoration filter obtained from a PSF obtained by synthesizing individual point image intensity distributions (PSFs) corresponding to a plurality of rotation angles;
An image pickup apparatus comprising: a control unit that performs control to perform depth of focus expansion by applying the blur restoration filter to a composite image obtained by combining images picked up at each of the plurality of rotation angles.
光軸を中心に回転させて組み合わせた複数の光波面変調素子を含む光学系と、
前記光学系を介した像を撮像する撮像素子と、
前記複数の光波面変調素子のそれぞれの回転角度に対応する点像強度分布(PSF)を合成したPSFから得られたボケ復元フィルタと、
撮像された画像に対して前記ボケ復元フィルタを作用させることによって焦点深度拡張を行う制御部と
を有する撮像装置。
An optical system including a plurality of optical wavefront modulation elements combined by rotating around an optical axis;
An image sensor that captures an image via the optical system;
A blur restoration filter obtained from a PSF obtained by synthesizing a point image intensity distribution (PSF) corresponding to each rotation angle of the plurality of light wavefront modulation elements;
An imaging apparatus comprising: a control unit that performs depth-of-focus expansion by applying the blur restoration filter to the captured image.
一つの光波面変調素子を含む光学系と、
前記光学系を介した像を撮像する撮像素子と、
ボケの広がり方向に偏りのある光波面変調素子の複数の回転角度に対応する点像強度分布(PSF)を合成したPSFから得られたボケ復元フィルタと、
撮像された画像に対して前記ボケ復元フィルタを作用させることによって焦点深度拡張を行う制御部と
を有する撮像装置。
An optical system including one light wavefront modulation element;
An image sensor that captures an image via the optical system;
A blur restoration filter obtained from a PSF obtained by synthesizing a point image intensity distribution (PSF) corresponding to a plurality of rotation angles of an optical wavefront modulation element biased in the blur spreading direction;
An imaging apparatus comprising: a control unit that performs depth-of-focus expansion by applying the blur restoration filter to the captured image.
前記制御部は、
前記複数のPSFに対して異なる重み付けを行って当該複数のPSFを合成するように制御する
請求項1から3のいずれか一に記載の撮像装置。
The controller is
The imaging apparatus according to claim 1, wherein different weightings are performed on the plurality of PSFs so as to combine the plurality of PSFs.
前記制御部は、
前記複数のPSFの重み付けの割合に従って露出時間を変えて複数の回転角度毎に撮像を行うように制御する
請求項4に記載の撮像装置。
The controller is
The imaging apparatus according to claim 4, wherein the exposure time is changed in accordance with a weighting ratio of the plurality of PSFs so as to perform imaging at a plurality of rotation angles.
前記制御部は、
前記重み付けおよび、または露出時間の比率は、復元性能を重視する回転角度に重く配分するように制御する
請求項4または5に記載の撮像装置。
The controller is
The imaging device according to claim 4, wherein the weighting and / or exposure time ratio is controlled so as to be heavily distributed to a rotation angle that places importance on restoration performance.
前記制御部は、
前記復元性能を重視する回転角度を、撮像画角の鉛直方向および水平方向の少なくとも一方とする
請求項6に記載の撮像装置。
The controller is
The imaging apparatus according to claim 6, wherein the rotation angle that places importance on the restoration performance is at least one of a vertical direction and a horizontal direction of an imaging field angle.
前記回転角度差は、45度または135度である
請求項1から7のいずれか一に記載の撮像装置。
The imaging apparatus according to claim 1, wherein the rotation angle difference is 45 degrees or 135 degrees.
光軸を中心に回転可能な光波面変調素子を含む光学系を介して複数の像を撮像するステップと、
複数の回転角度毎に撮像された画像を合成するステップと、
合成画像に対して前記複数の回転角度に対応する個々の点像強度分布(PSF)を合成したPSFから得られたボケ復元フィルタを作用させることによって焦点深度拡張を行うステップと
を有する撮像方法。
Capturing a plurality of images via an optical system including an optical wavefront modulation element rotatable about an optical axis;
Synthesizing images captured at a plurality of rotation angles;
An imaging method comprising: expanding a depth of focus by applying a blur restoration filter obtained from a PSF obtained by synthesizing individual point image intensity distributions (PSFs) corresponding to the plurality of rotation angles to a synthesized image.
光軸を中心に回転させて組み合わせた複数の光波面変調素子を含む光学系を介して像を撮像するステップと、
撮像された画像に対して前記複数の光波面変調素子のそれぞれの回転角度に対応する点像強度分布(PSF)を合成したPSFから得られたボケ復元フィルタを作用させることによって焦点深度拡張を行うステップと
を有する撮像方法。
Capturing an image through an optical system including a plurality of light wavefront modulation elements combined by rotating around an optical axis;
The depth of focus is extended by applying a blur restoration filter obtained from a PSF obtained by synthesizing a point image intensity distribution (PSF) corresponding to each rotation angle of the plurality of light wavefront modulation elements to the captured image. An imaging method comprising:
一つの光波面変調素子を含む光学系を介して像を撮像するステップと、
撮像された画像に対してボケの広がり方向に偏りのある光波面変調素子の複数の回転角度に対応する点像強度分布(PSF)を合成したPSFから得られたボケ復元フィルタを作用させることによって焦点深度拡張を行うステップと
を有する撮像方法。
Capturing an image via an optical system including one light wavefront modulation element;
By applying a blur restoration filter obtained from a PSF obtained by synthesizing point image intensity distributions (PSFs) corresponding to a plurality of rotation angles of a light wavefront modulation element that is biased in a blur spreading direction to a captured image. An imaging method comprising: performing a depth of focus extension.
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