JP2009033607A - Imaging apparatus and image processing method - Google Patents
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Images
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Abstract
Description
本発明は、撮像素子を用い、光学系を備えたデジタルスチルカメラや携帯電話搭載カメラ、携帯情報端末搭載カメラ、画像検査装置、自動制御用産業カメラ、情報コード読取装置等に適用可能な撮像装置および画像処理方法に関するものである。 The present invention relates to an image pickup apparatus using an image pickup device and applicable to a digital still camera equipped with an optical system, a camera mounted on a mobile phone, a camera mounted on a portable information terminal, an image inspection device, an industrial camera for automatic control, an information code reader, and the like. And an image processing method.
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代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 imaging device, is used for the imaging surface in place 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29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. 29 is a diagram schematically illustrating a configuration and a light flux state of a general imaging lens device.
The
In the optical system, the
撮像レンズ装置1においては、図29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30(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
30A to 30C show spot images on the light receiving surface of the image sensor 3 of the
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)。
ところで、上記技術では、撮像素子を固定した状態でフィルタによる復元を行っている。この場合、撮像素子のナイキストに近い成分は、良好に復元することが困難である。
理由は、レンズとしての解像が十分でも被写体の空間周波数と撮像素子の画素ピッチの関係によっては、信号が消失してしまうからである。
レンズの解像力が撮像素子のナイキスト周波数まで解像したとしても、実空間におけるナイキスト周波数成分が実際に結像する場合、画素をまたぐことによって信号が消失してしまう可能性があるからである。
消失してしまった信号はフィルタで復元できない。さらにフィルタでナイキスト成分を無理やり復元しようとするとS/Nが悪くなりノイズが増してくる。
By the way, in the above technique, restoration by a filter is performed in a state where the image sensor is fixed. In this case, it is difficult to restore a component close to Nyquist of the image sensor well.
The reason is that even if the resolution as a lens is sufficient, the signal disappears depending on the relationship between the spatial frequency of the subject and the pixel pitch of the image sensor.
This is because even if the resolving power of the lens resolves to the Nyquist frequency of the image sensor, if the Nyquist frequency component in the real space actually forms an image, the signal may disappear by straddling the pixels.
A lost signal cannot be recovered by a filter. Further, if the Nyquist component is forcibly restored with a filter, the S / N ratio becomes worse and noise increases.
本発明の目的は、被写体の周波数成分の高低による処理の切り替えを要することなく、ナイキスト周波数に近い高周波成分を含む画像まで高解像で得ることが可能な撮像装置および画像処理方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an imaging apparatus and an image processing method capable of obtaining a high-resolution image including a high-frequency component close to the Nyquist frequency without requiring switching of processing depending on the level of the frequency component of the subject. It is in.
本発明の第1の観点の撮像装置は、光波面変調素子を含む光学系と、前記光学系を通過した被写体像を撮像する撮像素子と、前記光学系と前記撮像素子との相対位置を変動可能な駆動部と、前記撮像素子からの被写体の画像データに対して所定の演算処理およびフィルタリング処理を施す画像処理部と、前記駆動部で前記光学系と前記撮像素子の相対位置を変動させて複数回撮像した画像データを得、前記画像処理部にて得られた複数の画像データを合成させ、前記フィルタリング処理を行わせる制御部とを有する。 An imaging apparatus according to a first aspect of the present invention includes an optical system that includes a light wavefront modulation element, an imaging element that captures a subject image that has passed through the optical system, and a relative position of the optical system and the imaging element that varies. A possible drive unit, an image processing unit that performs predetermined arithmetic processing and filtering processing on the image data of the subject from the image sensor, and the drive unit varies the relative position of the optical system and the image sensor. A control unit that obtains image data captured a plurality of times, combines the plurality of image data obtained by the image processing unit, and performs the filtering process.
好適には、前記制御部は、前記駆動部で前記光学系と前記撮像素子の相対位置を光軸と垂直な方向に変動させる。 Preferably, the control unit causes the drive unit to change the relative position of the optical system and the imaging element in a direction perpendicular to the optical axis.
好適には、前記制御部は、前記駆動部で前記光学系と前記撮像素子の相対位置を光軸方向に変動させる。 Preferably, the control unit causes the drive unit to change the relative position of the optical system and the image sensor in the optical axis direction.
好適には、前記駆動部で変動させる量は前記撮像素子上の像の変化量として1画素ピッチ未満である。 Preferably, the amount to be changed by the driving unit is less than one pixel pitch as the amount of change of the image on the image sensor.
好適には、前記フィルタリングはコントラストを高くする機能を含む。 Preferably, the filtering includes a function of increasing the contrast.
好適には、前記制御部は、前記駆動部で前記光学系と前記撮像素子の相対位置を光軸と垂直な面において、前記撮像素子の長手方向、長手方向に垂直な方向、画素の対角方向、のいずれかもしくは組み合わせて変動させる。 Preferably, the control unit is configured so that the drive unit has a relative position between the optical system and the image sensor on a plane perpendicular to the optical axis, the longitudinal direction of the image sensor, a direction perpendicular to the longitudinal direction, and a diagonal of the pixel. The direction is varied in any one or combination.
好適には、前記画像処理部は、撮像素子からの被写体分散画像信号より分散の少ない画像信号を生成する。 Preferably, the image processing unit generates an image signal with less dispersion than the subject dispersion image signal from the image sensor.
本発明の第2の観点は、光波面変調素子を含む光学系を通過した被写体像を撮像し、撮像した画像データに画像処理を行う画像処理方法であって、前記光学系と前記撮像素子の相対位置を変動させて複数回撮像した画像データを得るステップと、得られた複数の画像データを合成し、合成画像データに対してフィルタリング処理を行うステップとを有する。 A second aspect of the present invention is an image processing method for capturing a subject image that has passed through an optical system including a light wavefront modulation element, and performing image processing on the captured image data. The method includes a step of obtaining image data captured a plurality of times while changing the relative position, and a step of combining the obtained plurality of image data and performing a filtering process on the composite image data.
本発明によれば、被写体の周波数成分の高低による処理の切り替えを要することなく、ナイキスト周波数に近い高周波成分を含む画像まで高解像で得ることができる。 According to the present invention, an image including a high-frequency component close to the Nyquist frequency can be obtained with high resolution without requiring processing switching due to the level of the frequency component of the subject.
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、本発明に係る撮像装置の一実施形態を示すブロック構成図である。 FIG. 1 is a block diagram illustrating an embodiment of an imaging apparatus according to the present invention.
本実施形態に係る撮像装置100は、光学系110、撮像素子120、アナログフロントエンド部(AFE)130、画像処理装置140、カメラ信号処理部150、画像表示メモリ160、画像モニタリング装置170、操作部180、制御装置190、および駆動部200を有している。
The
本実施形態に係る撮像装置100は、後で詳述するように、光学系110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、被写体像(たとえばバーコード等の情報コード)を的確に高精度で読み取ることが可能に構成されている。
なお、光波面変調機能は、このように光学系に光波面変調素子を配置することで発現することが可能であるが、光学系を形成する光学素子に形成された光波面変調面により発現するように構成することも可能である。
As will be described in detail later, the
The light wavefront modulation function can be expressed by arranging the light wavefront modulation element in the optical system as described above, but is expressed by the light wavefront modulation surface formed in the optical element forming the optical system. It is also possible to configure as described above.
光学系110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を撮影した像を撮像素子120に供給する。
The
撮像素子120は、光電変換素子として機能し、光学系110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、アナログフロントエンド部130を介して画像処理装置140に出力するCCDやCMOSセンサからなる。
図1においては、撮像素子120を一例としてCCDとして記載している。
The
In FIG. 1, the
光学系110と撮像素子120の相対位置は、駆動部200により変動可能に構成されている。
The relative position between the
アナログフロントエンド部130は、タイミングジェネレータ131と、アナログ/デジタル(A/D)コンバータ132と、を有する。
タイミングジェネレータ131では、撮像素子120のCCDの駆動タイミングを生成しており、A/Dコンバータ132は、CCDから入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換し、画像処理装置140に出力する。
The analog
The
画像信号処理部の一部を構成する画像処理装置(二次元コンボリューション手段)140は、前段のAFE130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、後段のカメラ信号処理部(DSP)150に渡す。
画像処理装置140は、光学系110と撮像素子120の相対位置を変動させて複数回撮像して得られた複数の画像データを演算処理により合成し、合成画像データに対してフィルタリング処理を行う機能を有する。
この画像処理装置140が行うフィルタリングには、コントラストを高くする機能を含む。
画像処理装置140は、制御装置190の各種情報に応じて、画像データに対してフィルタリング処理を行う。
画像処理装置140は、撮像素子120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。
An image processing apparatus (two-dimensional convolution means) 140 constituting a part of the image signal processing unit inputs a digital signal of a captured image coming from the
The
The filtering performed by the
The
The
画像処理装置140は、基本的に、図1に示すように、生(RAW)バッファメモリ141、コンボリューション演算器142、記憶手段としてのカーネルデータ格納ROM143、およびコンボリューション制御部144を有する。
As shown in FIG. 1, the
コンボリューション制御部144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190により制御される。
The
また、カーネルデータ格納ROM143には、たとえば図2あるいは図3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、コンボリューション制御部144を通じてカーネルデータを選択制御する。
The kernel
図2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. 2, 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3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。
画像処理装置140の処理については後でさらに詳述する。
In the example of FIG. 3, the kernel data A is data corresponding to an object distance information of 100 mm, the kernel data B is data corresponding to an object distance of 500 mm, and the kernel data C is data corresponding to an object distance of 4 m.
The processing of the
カメラ信号処理部(DSP)150は、カラー補間、ホワイトバランス、YCbCr変換処理、圧縮、ファイリング等の処理を行い、画像表示メモリ160への格納や画像モニタリング装置170への画像表示等を行う。
The camera signal processing unit (DSP) 150 performs processing such as color interpolation, white balance, YCbCr conversion processing, compression, and filing, and performs storage in the
制御装置190は、露出制御を行うとともに、操作部180などの操作入力を持ち、それらの入力に応じて、システム全体の動作を決定し、AFE130、画像処理装置140、DSP150等を制御し、システム全体の調停制御を司るものである。
The
また、制御装置190は、制御信号CTLにより駆動部200を制御して、光学系110と撮像素子120の相対位置を変動させて複数回撮像した画像データをメモリに保存させ、画像処理装置140を制御して得られた複数の画像データを演算して合成させ、フィルタリング処理を行わせる。
たとえば制御装置190は、駆動部200により光学系110と撮像素子120の相対位置を光軸と垂直な方向に変動させる。
制御装置190は、たとえば図4に示すように、光学系110を光軸と垂直な方向に変動させて、光学系110の結像レンズと撮像素子120の相対位置を光軸と垂直な方向に変動させる。
または、制御装置190は、図5に示すように、撮像素子120を光軸と垂直な方向に変動させて、光学系110の結像レンズと撮像素子120の相対位置を光軸と垂直な方向に変動させる。
あるいは、制御装置190は、図4および図5を一体的として、光学系110と撮像素子120を光軸と垂直な方向に変動させて、光学系110の結像レンズと撮像素子120の相対位置を光軸と垂直な方向に変動させる。
In addition, the
For example, the
For example, as illustrated in FIG. 4, the
Alternatively, as illustrated in FIG. 5, the
Alternatively, the
また、制御装置190は、駆動部200により光学系110と撮像素子120の相対位置を光軸と垂直な方向に変動させる代わりに、光学系110と撮像素子120の相対位置を光軸方向に変動させる。
制御装置190は、たとえば図6に示すように、光学系110を光軸方向にシフトして倍率変動させて、光学系110と撮像素子120の相対位置を光軸方向に変動させる。
In addition, the
For example, as illustrated in FIG. 6, the
また、制御装置190は、駆動部200で光学系110と撮像素子120の相対位置を光軸と垂直な面において、撮像素子120の長手方向、長手方向に垂直な方向、画素の対角方向、のいずれかもしくは組み合わせて変動させるように構成することも可能である。
Further, the
なお、本実施形態において、制御装置190が駆動部200で変動させる量は撮像素子120上の像の変化量として1画素ピッチ未満である。
In the present embodiment, the amount that the
駆動部200は、制御装置190による制御信号CTLに応じて、上述したように、光学系110と撮像素子120の相対位置を変動させる。
The drive unit 200 varies the relative position between the
駆動部200は、図1に示すように、駆動制御装置210、光学系駆動機構部220、および撮像素子駆動機構部230により構成されている。
As shown in FIG. 1, the drive unit 200 includes a
駆動制御装置210は、制御装置190による制御信号CTLに応じて光学系110と撮像素子120の相対位置を変動させるために、駆動信号DRV1を光学系駆動機構部220に出力し、駆動信号DRV2を撮像素子駆動機構部230に出力する。
The
光学系駆動機構部220は、駆動制御装置210による駆動信号DRV1に応答して、光学系110を光軸に垂直な方向、または光軸に平行な方向に駆動する。
The optical system
撮像素子駆動機構部230は、駆動制御装置210による駆動信号DRV2に応答して、撮像素子120を光軸に垂直な方向、または光軸に平行な方向に駆動する。
In response to the drive signal DRV2 from the
図7(A),(B)は、光学系および撮像素子を光軸に垂直な方向に変動させる光学系駆動機構部および撮像素子駆動機構部の構成例を示す図であって、図7(A)が光学系駆動機構部の構成例を示し、図7(B)が撮像素子駆動機構部の構成例を示している。 FIGS. 7A and 7B are diagrams showing a configuration example of an optical system drive mechanism unit and an image sensor drive mechanism unit that vary the optical system and the image sensor in a direction perpendicular to the optical axis. FIG. 7A shows a configuration example of the optical system driving mechanism unit, and FIG. 7B shows a configuration example of the image sensor driving mechanism unit.
光学系駆動機構部220は、図7(A)に示すように、図中に設定した直交座標系におけるXおよびY方向において、円筒形をなす光学系110の側面の互いに直交する位置に配置されたアクチュエータ221,222を有している。
As shown in FIG. 7A, the optical system
図7(B)に示すように、撮像素子駆動機構部230は、撮像素子(以下、センサという場合もある)120が載置された方形形状の可動ステージ231と、図中に設定した直交座標系におけるXおよびY方向において、可動ステージ231の側面に側面の互いに直交する位置に配置されたアクチュエータ232,233を有している。
As shown in FIG. 7B, the image sensor
図8(A),(B)は、光学系および撮像素子を光軸に方向に変動させる光学系駆動機構部および撮像素子駆動機構部の構成例を示す図であって、図8(A)が光学系駆動機構部の構成例を示し、図8(B)が撮像素子駆動機構部の構成例を示している。 8A and 8B are diagrams showing a configuration example of an optical system drive mechanism unit and an image sensor drive mechanism unit that cause the optical system and the image sensor to change in the direction along the optical axis, and FIG. Shows an example of the configuration of the optical system drive mechanism, and FIG. 8B shows an example of the configuration of the image sensor drive mechanism.
光学系駆動機構部220Aは、図8(A)に示すように、図中に設定した直交座標系におけるZ方向において、光学系110の光軸と直交する側面に配置されたアクチュエータ223を有している。
As shown in FIG. 8A, the optical system
撮像素子駆動機構部230Aは、図中に設定した直交座標系におけるZ方向において、可動ステージ231の撮像素子120の配置面と対向する面に配置されたアクチュエータ234を有している。
The image sensor
なお、駆動機構は像の変化量として1画素ピッチ以下未満の微小変動が目的であるため、ピエゾ素子や磁歪素子、ボイスコイルモータといったアクチュエータが適している。 The drive mechanism is intended for minute fluctuations of less than one pixel pitch as the amount of image change, and therefore an actuator such as a piezo element, a magnetostrictive element, or a voice coil motor is suitable.
このように、本実施形態に係る撮像装置100は、DEOSに対応する光学系の構成および、後で詳述するDEOSの画像処理に加えて、光学系(レンズ)110と撮像素子120の相対位置を変動させることによってナイキスト成分に近い高周波の復元処理を行う。
具体的には2つの処理方法によって解決する。1つめに光軸に垂直な方向で光学系と撮像素子との相対位置をシフトさせて画像処理を行う。2つめに光軸方向で光学系と撮像素子との相対位置をシフトさせて画像処理を行う方法である。
なお、この2つのシフト量は像の変化量として1画素(ピクセル)未満とする。
以上のいずれかの方法で複数枚得られた画像を処理することによって画素またぎによって失われるナイキスト周波数の成分を回復する。
As described above, the
Specifically, the problem is solved by two processing methods. First, image processing is performed by shifting the relative position between the optical system and the image sensor in a direction perpendicular to the optical axis. Second, the image processing is performed by shifting the relative position between the optical system and the image sensor in the optical axis direction.
The two shift amounts are less than one pixel (pixel) as the image change amount.
The Nyquist frequency component lost by straddling pixels is recovered by processing a plurality of images obtained by any of the above methods.
本実施形態においては、高周波成分を含む画像の解像力を向上させるために、深度拡張光学系を用いて、撮像素子と光学系の相対位置を微小変動(1ピクセル未満)させながら撮像して、得られた複数枚の画像を合成して深度拡張等のフィルタ処理を実行する。
深度拡張光学系を介することによって、高周波領域においてもコントラストは低下するが解像特性が反転してしまうことが無いため、正確な画像の復元を実現することができる。
すなわち、ナイキストに近い高周波成分は、機構的な駆動によって信号をなるべく消失させないことが、良好な復元に繋がる。そして深度拡張系にこの技術を用いることによって、どの物体距離においてもOTFの変化が少ないことを活かして、同一のフィルタ処理によって画像を復元することができる。このフィルタによる復元ではS/Nを維持するために、高周波成分の復元ではなく低周波を復元することを優先とする。
In the present embodiment, in order to improve the resolving power of an image including a high-frequency component, an image is obtained by using a depth extension optical system while taking an image while slightly changing the relative position between the image sensor and the optical system (less than 1 pixel). A filter process such as depth extension is executed by combining the plurality of images.
By using the depth extension optical system, the contrast is lowered in the high-frequency region but the resolution characteristics are not reversed, so that an accurate image restoration can be realized.
That is, a high-frequency component close to Nyquist does not lose the signal as much as possible by mechanical driving, which leads to good restoration. By using this technique for the depth extension system, it is possible to restore an image by the same filtering process, taking advantage of the small change in OTF at any object distance. In restoration by this filter, in order to maintain the S / N, priority is given to restoration of low frequencies rather than restoration of high frequency components.
以下に、ナイキスト成分の画素またぎ、光学系(レンズ)シフトによるナイキスト復元、撮像素子シフトのよるナイキスト復元、および焦点シフトのナイキスト復元について図解して説明する。 In the following, Nyquist restoration across Nyquist components, Nyquist restoration due to optical system (lens) shift, Nyquist restoration due to imaging element shift, and Nyquist restoration due to focus shift will be illustrated and described.
図9は、撮像素子のまたぎによって像が消失した場合の例を示す図である。
ここではレンズによる劣化はないとして撮像素子120に対し、ずれなく乗った場合と半ピクセルずれて乗った場合の例を示している。
半ピクセルずれると、全ての画素が信号50%となるために消失してしまう。
FIG. 9 is a diagram illustrating an example in which an image disappears due to straddling the imaging element.
In this example, it is assumed that there is no deterioration due to the lens, and the
If the pixel is shifted by half a pixel, all the pixels become 50% of the signal and disappear.
図10は、レンズ(光学系)シフトによってピクセルずらしをした場合の例を示す図である。
ここでは、レンズをサブピクセルシフト(1ピクセル分より小さい量のシフト)することによってナイキストに近い成分を抽出することを目的としている。
シフト量を予め記録しておけば画像処理装置140のける画像処理によってシフトした画像(絵)を複数枚合わせて復元処理を行える。
ただこのレンズシフトによる復元は、ナイキストに近い高周波成分にはエッジを回復させる効果があるがコントラストは上がらない傾向にある。
そのため、画像処理装置140において、フィルタによる画像復元を併用することによって解像とコントラストの2つを同時に復元する。
FIG. 10 is a diagram illustrating an example in a case where pixel shift is performed by lens (optical system) shift.
Here, the objective is to extract a component close to Nyquist by shifting the lens by a sub-pixel shift (a shift smaller than one pixel).
If the shift amount is recorded in advance, restoration processing can be performed by combining a plurality of images (pictures) shifted by the image processing performed by the
However, the restoration by this lens shift has an effect of restoring the edge to the high frequency component close to Nyquist, but the contrast does not tend to increase.
Therefore, the
図11は、撮像素子シフトによってピクセルずらしをした場合の例を示す図である。
ここでは、撮像素子120をサブピクセルシフトすることによってナイキストに近い成分を抽出することを目的としている。
レンズシフトと同様でシフト量を予め記録しておけば画像処理によってシフトした画像(絵を)複数枚合わせて復元処理を行える。
ただこの撮像素子シフトによる復元は、ナイキストに近い高周波成分にはエッジを回復させる効果があるがコントラストは上がらない傾向にある。
そのため、画像処理装置140において、フィルタによる画像復元を併用することによって解像とコントラストの2つを同時に復元する。
FIG. 11 is a diagram illustrating an example in which pixels are shifted by image sensor shift.
The purpose here is to extract a component close to Nyquist by subpixel shifting the
Similar to the lens shift, if the shift amount is recorded in advance, a restoration process can be performed by combining a plurality of images (pictures) shifted by the image processing.
However, the restoration by the image pickup element shift has an effect of restoring the edge to the high-frequency component close to Nyquist, but the contrast tends not to increase.
Therefore, the
図12は、焦点シフトによる倍率変動の例を示す図である。
ここでは、倍率を変えることによって消失した信号を復元することを目的としている。一般的な光学系では、焦点を外すと像がぼけ始めてしまうため、復元は困難となるが、DEOSの場合には深度が拡張されているため、微小の像面シフトではOTFは変化しない。
そこで、焦点をシフトさせることによって消失した解像が回復してくる。
FIG. 12 is a diagram illustrating an example of magnification variation due to focus shift.
The purpose here is to restore the lost signal by changing the magnification. In a general optical system, since the image starts to be blurred when the focus is removed, the restoration becomes difficult. However, in the case of DEOS, the depth is expanded, so that the OTF does not change with a minute image plane shift.
Therefore, the lost resolution is recovered by shifting the focus.
図13(A)〜(C)は、光軸と垂直な平面における相対位置の変動例を示す図であって、図13(A)は画素の長手方向(水平方向)への変動例を、図13(B)は画素の長手方向に垂直な方向への変動例を、図13(C)は画素の対角方向への変動を例を、それぞれ示している。 FIGS. 13A to 13C are diagrams illustrating an example of variation in relative position in a plane perpendicular to the optical axis, and FIG. 13A illustrates an example of variation in the longitudinal direction (horizontal direction) of a pixel. FIG. 13B shows an example of variation in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the pixel, and FIG. 13C shows an example of variation in the diagonal direction of the pixel.
図13(A)および(B)に示す変動方法によってそれぞれ水平および垂直方向に関して解像を向上させることが可能となる。
図13(C)に示す<3>の変動方法で水平および垂直方向を同時に変動させたことになり、1回の変動で水平および垂直方向の解像を向上させることが可能であるが、変動方向に垂直な方向の解像の向上には寄与しない。
図13(A)〜(C)に示す方法を用いて合成を行うことで水平、垂直、斜めの各方向に対する解像の向上が望める。
The variation method shown in FIGS. 13A and 13B can improve the resolution in the horizontal and vertical directions, respectively.
The horizontal and vertical directions are simultaneously changed by the fluctuation method <3> shown in FIG. 13C, and the horizontal and vertical resolution can be improved by one fluctuation. It does not contribute to the improvement of the resolution in the direction perpendicular to the direction.
By performing synthesis using the method shown in FIGS. 13A to 13C, it is possible to improve the resolution in each of the horizontal, vertical, and diagonal directions.
変動前後の画像合成方法としては、ピクセル単位の単純加算平均、変動量分をシフト補正してから加算平均する等の演算処理に実現可能である。 As the image composition method before and after the change, it can be realized in a calculation process such as a simple addition average in units of pixels or an addition average after shift correction of the amount of change.
次に、本実施形態に係る画像復元処理について説明する。
図14は、本実施形態に係る画像復元処理のフローチャートである。
Next, image restoration processing according to the present embodiment will be described.
FIG. 14 is a flowchart of image restoration processing according to the present embodiment.
図14に示すように、光学系110、撮像素子120で撮像した画像データを、AFE130を通して画像処理装置140に供給する。画像処理装置140において、RAWバッファメモリに保存する(ST1、ST2)。
ここで、制御装置190の制御の下、駆動部200により、撮像素子120、もしくは光学系110を変動(駆動)させる(ST3)。
そして、画像処理装置140において、撮像素子120、もしくは光学系110が初期位置に戻っているか否かを判断し(ST4)、戻っている場合には一連の変動による撮影が終了したものとして、撮像素子シフト、もしくはレンズ(光学系)によって発生した位相シフトをシフト画像の合成によって復元する。すなわち、高周波成分を復元する(ST5)。
次に、画像処理装置140において、高周波成分が復元した画像をさらにフィルタによってコントラストを復元する。すなわち、低周波成分を復元する(ST6)。
As shown in FIG. 14, image data captured by the
Here, under the control of the
Then, in the
Next, in the
以上の処理を行う本実施形態によれば、被写体の周波数成分の高低による処理の切り替えを要することなく、ナイキスト周波数に近い高周波成分を含む画像まで高解像で得ることができる。 According to the present embodiment that performs the above processing, an image including a high frequency component close to the Nyquist frequency can be obtained with high resolution without switching processing depending on the level of the frequency component of the subject.
ここで、変動量とメモリのサイズについて考察する。
好適には、画像を格納するメモリ(RAWバッファメモリ)はサブピクセルに分割した逆数倍のサイズを持たせると良い。これは、撮像素子120によるサンプリング数を増やす効果があり、撮像素子120のナイキストを擬似的にあげることができるからである。
たとえば、一次元で考えた場合、0.5ピクセルシフトするように撮像素子もしくはレンズを駆動させたとする。その場合、メモリは画像サイズの2倍のサイズを用意すると良い。たとえば、横1280ピクセルの撮像素子ならば2560ピクセルあればよい。縦も同様のことがいえる。
Here, the fluctuation amount and the size of the memory are considered.
Preferably, a memory (RAW buffer memory) for storing an image has a size that is an inverse number divided into sub-pixels. This is because there is an effect of increasing the number of samplings by the
For example, when considered in one dimension, it is assumed that the imaging device or the lens is driven so as to shift by 0.5 pixels. In that case, it is preferable that the memory has a size twice as large as the image size. For example, in the case of an image sensor with a width of 1280 pixels, there may be 2560 pixels. The same goes for the vertical.
以上、本実施形態の特徴である画像復元処理について説明した。
以下、本実施形態のDEOSに関係する光学系、画像処理装置の構成および機能について具体的に説明する。
The image restoration process that is a feature of the present embodiment has been described above.
Hereinafter, the configuration and functions of the optical system and the image processing apparatus related to the DEOS of this embodiment will be described in detail.
図15は、本実施形態に係るズーム光学系110の構成例を模式的に示す図である。この図は広角側を示している。
また、図16は、本実施形態に係る撮像レンズ装置の望遠側のズーム光学系の構成例を模式的に示す図である。
そして、図17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18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. 15 is a diagram schematically illustrating a configuration example of the zoom
FIG. 16 is a diagram schematically illustrating a configuration example of a zoom optical system on the telephoto side of the imaging lens device according to the present embodiment.
FIG. 17 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. 18 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15および図16の光学系110は、物体側OBJSに配置された物体側レンズ111と、撮像素子120に結像させるための結像レンズ112と、物体側レンズ111と結像レンズ112間に配置され、結像レンズ112による撮像素子120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113を有する。また、物体側レンズ111と結像レンズ112間には図示しない絞りが配置される。
たとえば、本実施形態においては、可変絞り110a(図1参照)が設けられ、露出制御(装置)において可変絞りの絞り度(開口度)を制御する。
The
For example, in the present embodiment, a
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15および図16で示された位相板113a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120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113a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。
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110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 Optical system)といい、この処理を画像処理装置140において行う。
The
In other words, the
Means for restoring the regularly dispersed image to a focused image without moving the
ここで、DEOSの基本原理について説明する。
図19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。
Here, the basic principle of DEOS will be described.
As shown in FIG. 19, when the subject image f enters the DEOS optical system H, a g image is generated.
This is expressed by the following equation.
[数1]
g=H*f
ただし、*はコンボリューションを表す。
[Equation 1]
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2]
f=H-1*g
[Equation 2]
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1に示すように、光学系110からの像を撮像素子120で受像して、絞り開放時には画像処理装置140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120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 this embodiment, as shown in FIG. 1, an image from the
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113aを挿入することにより、撮像素子120上ではピントのどこにも合わない画像を形成し、位相板113a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 refers to forming a non-focused image on the
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20(A)〜(C)は、撮像素子120の受光面でのスポット像を示している。
図20(A)は焦点が0.2mmずれた場合(Defocus=0.2mm)、図20(B)が合焦点の場合(Best focus)、図20(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20(A)〜(C)からもわかるように、本実施形態に係る撮像装置100においては、位相板113aを含む波面形成用光学素子群113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。
20A to 20C show spot images on the light receiving surface of the
20A shows a case where the focal point is shifted by 0.2 mm (Defocus = 0.2 mm), FIG. 20B shows a case where the focal point is a focal point (Best focus), and FIG. 20C 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. 20A to 20C, in the
このように、本実施形態の撮像装置100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
図21(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21(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21(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140の補正処理に任せるため、図21(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。
FIGS. 21A and 21B are diagrams for explaining a modulation transfer function (MTF) of a primary image formed by the imaging lens apparatus according to the present embodiment. FIG. 21A is a diagram showing a spot image on the light receiving surface of the imaging element of the imaging lens device, and FIG. 21B 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
画像処理装置140は、上述したように、撮像素子120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
画像処理装置140のMTF補正処理は、たとえば図21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21中曲線Bで示す特性に近づく(達する)ような補正を行う。
図21中曲線Bで示す特性は、たとえば本実施形態のように、波面形成用光学素子を用いずに波面を変形させない場合に得られる特性である。
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
A characteristic indicated by a curve B in FIG. 21 is a characteristic obtained when the wavefront is not deformed without using the wavefront forming optical element as in the present embodiment, for example.
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22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23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22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23に示すようになる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 22, 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 spatial frequency obtained optically, each spatial frequency is changed to each spatial frequency. On the other hand, as shown in FIG. 23, 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. 22, 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100は、基本的に、1次画像を形成する光学系110および撮像素子120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140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120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140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120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140で行う。
As described above, the
In the present embodiment, the primary image from the
ここで、本実施形態における撮像装置100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110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
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 itself, if the wavefront aberration can be strictly calculated numerically through the
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、任意に結像面における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20(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140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。
Accordingly, if the wavefront information at the exit pupil position is modified by a predetermined method, the MTF value on the imaging plane can be arbitrarily 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 is formed, the exiting light flux from the exit pupil is made up of 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
次に、本実施形態および一般的な光学系のMTFのレスポンスについて考察する。 Next, the MTF response of this embodiment and a general optical system will be considered.
図24は、一般的な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25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26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. 24 is a diagram illustrating 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 a general optical system.
FIG. 25 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. 26 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を、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 response of the MTF is improved by processing the image formed by this optical system using a convolution filter.
図23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24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. 23 is preferably 0.1 or more at the Nyquist frequency.
This is because, in order to achieve the OTF after restoration shown in FIG. 24, 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.
以上説明したように、本実施形態によれば、光波面変調素子を含む光学系110と、光学系110を通過した被写体像を撮像する撮像素子120と、光学系110と撮像素子120との相対位置を変動可能な駆動部200と、撮像素子120からの被写体の画像データに対して所定の演算処理およびフィルタリング処理を施す画像処理装置140と、駆動部200で光学系110と撮像素子120の相対位置を変動させて複数回撮像した画像データを得、画像処理装置140にて得られた複数の画像データを演算して合成させ、フィルタリング処理を行わせる制御装置190と、を有することから、被写体の周波数成分の高低による処理の切り替えを要することなく、ナイキスト周波数に近い高周波成分を含む画像まで高解像で得ることができる。
As described above, according to the present embodiment, the
また、本実施形態によれば、1次画像を形成する光波面変調素子を含む光学系110および撮像素子120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140とを含み、撮像素子120と光波面変調素子としての位相変調素子(位相板)113aを復元に適した配置とすることができ、公差の緩い深度拡張光学系を実現できる。
その結果、復元画が良好となるようなボカシを実現でき、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。
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い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180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、倍率やディ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。
また、難度が高く、高価でかつ大型化した光学レンズを必要とせずに、かつ、レンズを駆動させること無く、撮影したい物体に対してピントが合い、背景はぼかすといった、いわゆる自然な画像を得ることもできる。
そして、本実施形態に係る撮像装置100は、デジタルカメラやカムコーダー等の民生機器の小型、軽量、コストを考慮されたDEOSの光学システムに使用することが可能である。
Further, according to the present embodiment, the
As a result, there is an advantage that a blur that improves the restored image can be realized, and that a good restored image can be obtained with an appropriate image quality and little influence of noise.
In addition, there is an advantage that the optical system can be simplified, the cost can be reduced, and a restored image with an appropriate image quality and less influenced by noise can be obtained.
In addition, the kernel size used at the time of convolution calculation and the coefficient used in the numerical calculation are made variable, know by input from the operation unit 180, etc. There is an advantage that the lens can be designed without worrying about the image and that the image can be restored by convolution with high accuracy.
In addition, a so-called natural image is obtained in which the object to be photographed is in focus and the background is blurred without requiring a highly difficult, expensive and large optical lens and without driving the lens. You can also.
The
また、本実施形態においては、結像レンズ112による撮像素子120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120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140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110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 the present 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
In addition, the configuration of the
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ているにもかかわらず、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, in order to form a high-definition image, the optical system must be complicated in the conventional imaging lens apparatus in spite of the demand for higher-definition image due to the trend of the times. . 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レンズよりに配置した例を示したが、絞りと同一あるいは絞りより結像レンズ側に配置しても前記と同様の作用効果を得ることができる。 In this embodiment, the example in which the wavefront forming optical element of the optical system is arranged closer to the object side lens than the stop is shown. An effect can be obtained.
なお、このような特徴を有する本実施形態に係る撮像装置は、たとえば図27に示すような情報コード読取装置に適用可能である。 Note that the imaging apparatus according to the present embodiment having such characteristics can be applied to an information code reading apparatus as shown in FIG. 27, for example.
図27は、本発明の実施形態に係る撮像装置を適用可能な情報コード読取装置の一例を示す外観図である。
図28(A)〜(C)は、情報コードの例を示す図である。
FIG. 27 is an external view showing an example of an information code reading apparatus to which the imaging apparatus according to the embodiment of the present invention can be applied.
28A to 28C are diagrams illustrating examples of information codes.
本実施形態に係る情報コード読取装置300は、図27に示すように、本体310がケーブル311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320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321を読み取り可能な装置である。
情報コード読取装置300は、本体310に形成された読取開始スイッチ312が操作されると、それをトリガとして、情報コードの読み取りを、たとえば10回試みて7回デコード判定で可となればそれをデコード結果とする機能を有している。
この機能を有する理由は、情報コードの読み取り1回でデコード判定を可とすると、外乱や弱い情報に対して読み取りができない状態が続く場合が想定されることから、利用者の使い勝手を考慮したものである。ちなみにこの再試行の7回の設定は変更できように構成されている。
As shown in FIG. 27, the information
When the reading start switch 312 formed on the
The reason for having this function is that considering the ease of use of the user, it is assumed that the state where the information cannot be read with respect to disturbance or weak information will continue if the decoding determination is enabled once. It is. By the way, it is configured so that the setting of seven times of this retry can be changed.
読み取り対象の情報コードとしては、たとえば図28(A)に示すような、JANコードのような1次元のバーコード322と、図28(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コードのような二次元のバーコード323が挙げられる。
As an information code to be read, for example, a one-
本実施形態に係る情報コード読取装置300は、本体310内に、図示しない照明光源と、図3に示すような撮像装置100とが配置される。
情報コード読取装置300の配置される撮像装置100は、たとえば外部とのびインタフェース部(I/F)が設けられる。
In the information
The
本実施形態に係る情報コード読取装置300によれば、画像の復元処理においてコントラストの向上と共に深度を拡張することができ、精度の高いコード読み取りを実現できる。
According to the information
100・・・撮像装置、110・・・光学系、120・・・撮像素子、130・・・アナログフロントエンド部(AFE)、140・・・画像処理装置、150・・・カメラ信号処理部、180・・・操作部、190・・・制御装置、200・・・駆動部、111・・・物体側レンズ、112・・・結像レンズ、113・・・波面形成用光学素子、113a・・・位相板(光波面変調素子)、142・・・コンボリューション演算器、143・・・カーネルデータROM、144・・・コンボリューション制御部、300・・・情報コード読取装置、321・・・情報コード。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記光学系を通過した被写体像を撮像する撮像素子と、
前記光学系と前記撮像素子との相対位置を変動可能な駆動部と、
前記撮像素子からの被写体の画像データに対して所定の演算処理およびフィルタリング処理を施す画像処理部と、
前記駆動部で前記光学系と前記撮像素子の相対位置を変動させて複数回撮像した画像データを得、前記画像処理部にて得られた複数の画像データを合成させ、前記フィルタリング処理を行わせる制御部と
を有する撮像装置。 An optical system including an optical wavefront modulation element;
An image sensor that images a subject image that has passed through the optical system;
A drive unit capable of changing a relative position between the optical system and the imaging device;
An image processing unit that performs predetermined calculation processing and filtering processing on the image data of the subject from the image sensor;
The drive unit obtains image data captured a plurality of times by changing the relative position of the optical system and the image sensor, and combines the plurality of image data obtained by the image processing unit to perform the filtering process. An imaging device comprising: a control unit.
前記駆動部で前記光学系と前記撮像素子の相対位置を光軸と垂直な方向に変動させる 請求項1に記載の撮像装置。 The controller is
The imaging apparatus according to claim 1, wherein the drive unit causes the relative position of the optical system and the imaging element to vary in a direction perpendicular to the optical axis.
前記駆動部で前記光学系と前記撮像素子の相対位置を光軸方向に変動させる
請求項1に記載の撮像装置。 The controller is
The imaging apparatus according to claim 1, wherein the driving unit causes a relative position of the optical system and the imaging element to vary in an optical axis direction.
請求項2または3に記載の撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 2, wherein the amount to be changed by the driving unit is less than one pixel pitch as the amount of change in the image on the imaging element.
請求項1から4のいずれか一に記載の撮像装置。 The imaging device according to any one of claims 1 to 4, wherein the filtering includes a function of increasing a contrast.
前記駆動部で前記光学系と前記撮像素子の相対位置を光軸と垂直な面において、前記撮像素子の長手方向、長手方向に垂直な方向、画素の対角方向、のいずれかもしくは組み合わせて変動させる
請求項2、4、または5に記載の撮像装置。 The controller is
In the drive unit, the relative position of the optical system and the image sensor varies on the surface perpendicular to the optical axis in any one or a combination of the longitudinal direction of the image sensor, the direction perpendicular to the longitudinal direction, and the diagonal direction of the pixels. The imaging apparatus according to claim 2, 4, or 5.
撮像素子からの被写体分散画像信号より分散の少ない画像信号を生成する
請求項1から6のいずれか一に記載の撮像装置。 The image processing unit
The imaging device according to any one of claims 1 to 6, wherein the imaging device generates an image signal with less dispersion than a subject dispersion image signal from the imaging device.
前記光学系と前記撮像素子の相対位置を変動させて複数回撮像した画像データを得るステップと、
得られた複数の画像データを合成し、合成画像データに対してフィルタリング処理を行うステップと
を有する画像処理方法。 An image processing method of capturing a subject image that has passed through an optical system including a light wavefront modulation element and performing image processing on the captured image data,
Obtaining image data captured multiple times by changing the relative position of the optical system and the imaging element;
And a step of combining the plurality of obtained image data and performing a filtering process on the combined image data.
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