JP2009134024A - 撮像装置および情報コード読取装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】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とを含み、光学系210は、光波面変調素子が光軸に対して回転対称な形状であり、かつディフォーカスに対する低周波および高周波のMTFのピーク位置が異なる特性を持つように形成されている。
【選択図】図6
Description
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。
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。
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。
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)。
バーコードの読み取りは、たとえば第一の例としてレンズを繰り出すオートフォーカスでピントを合わせる技術や、第二の例として深度拡張技術としては、たとえばカメラにおいてF値を絞ることで被写界深度を広げて固定ピントとしているものがある。
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。
これはアウトフォーカス時のOTFが一定であれば良好な復元結果となるのであるが、現実問題OTFは劣化してくる。そして、復元処理を行ってもボカして復元するという工程上、完全には復元しない。
そのため、良好な復元画を得ることが困難である。
しかしながら、回転非対称な形状の位相変調素子は、製造の難易度が高い、固体撮像素子に対して回転方向の取り付け精度が必要である、位相変調素子による反射の影響がでる、画像の方向によりコントラストが異なる、といった問題がある。
図2(A)〜(C)は、情報コードの例を示す図である。
図3は、図1の情報コード読取装置に適用可能な撮像装置の構成例を示すブロックである。
なおここでは、本実施形態の撮像装置が適用可能な装置として、情報コード読取装置を例示している。
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。
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な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。
光学系210Aは、被写体物体OBJを撮影した像を撮像素子220に供給する。また、光学系210Aは、物体側から順に、第1レンズ211、第2レンズ212、第3レンズ213、絞り214、第4レンズ215、第5レンズ216が配置されている。
本実施形態の光学系210Aは、第4レンズ215と第5レンズ216が接続されている。すなわち、本実施形態の光学系210Aのレンズユニットは、接合レンズを含んで構成されている。
本実施形態においては、光波面変調素子(たとえば位相変調素子)を用いることにより物体距離に応じたOTFの変化を、光波面変調素子を持たない光学系よりも小さくする深度拡張光学系に対し、光波面変調素子の最適化を行う。
使用する固体撮像素子(撮像素子220)の画素ピッチから決まるナイキスト周波数の半分以上の周波数を高周波、半分より低い周波数を低周波とする。
ただし、ナイキスト周波数は下記の通りに定義する。
ナイキスト周波数=1/(固体撮像素子の画素ピッチ×2)
そして、光波面変調素子の光波面変調面が、ディフォーカスに対する低周波および高周波のMTFのピーク位置が異なる特性を持つことにより、物体距離に応じたOTFの変化を極めて小さくする作用を持たせることが可能となる。
また、図4の下方に光波面変調面を形成する前と後の球面収差の変化を示しているが、光波面変調面を絞り214の近傍に、あるいは光波面変調面自身に絞り機能を持たせることにより、光波面変調面のみを最適化することで、物体が画面の中心に写る場合も周辺に写る場合も均一な画質とすることが可能となり、撮像装置の最終出力画像信号として性能の高い固定焦点レンズとすることができる。
図6は、本実施形態に係る光波面変調素子を持つ光学系のディフォーカスに対する低周波および高周波のMTFを示す図である。
これに対して、本実施形態に係る光波面変調素子を持つ光学系においては、図6に示すうに、ディフォーカスに対する低周波および高周波のMTFのピーク位置が異なる特性を持つよう形成されている。
これにより、本実施形態の光学系は、通常の光学系よりも物体距離に応じたOTFの変化を小さくする作用を持たせることが可能となり、被写界深度を増大させることが可能となる。
あるいは、変調面を含む光波面変調素子の焦点距離の絶対値が、光学系全体の焦点距離に対して大きい。
換言すれば、光波面変調素子の光波面変調面におけるパワーを光学系210の全体のパワーよりも弱くする。
あるいは、光波面変調面を備えたパワーを、光学系210全体のパワーよりも弱くする。
これにより、画像の中心部から周辺部にかけて均一なOTFとすることが可能となる。
|fphase|/ftotal ≧ 2
ただし、fphaseは光波面変調面の焦点距離を、ftotalは光学系全体の焦点距離を示している。
これらの図において縦軸はディフォーカス量、横軸は像高を示している。
ピントの合った位置ではスポット像は小さいが、ピント位置から離れるに従ってスポット像が徐々に大きくなる。
すなわち、この光学系は、光波面変調素子を持たないため物体距離に応じてスポット像が大きく変化する。
この光学系においては、光波面変調素子の作用で物体距離に応じたスポット像の変化は小さい。
この光学系においては、光波面変調素子の焦点距離の絶対値が小さいため、画面中心と周辺でスポット像の大きさの差が大きい。
この光学系においては、光波面変調面もしくは光波面変調素子の焦点距離の絶対値が大きいため、画面中心と周辺でスポット像の大きさの差が小さい。
位相形状を、光軸中心部分から周辺部分かけて少なくとも一つの変曲点を持った形状、あるいは光軸中心部分から周辺部分に向かって単調増加もしくは単調減少とすることで、物体距離に応じたOTFの変化を極めて小さくすることができる。
図11および図12において、Aで示す線が光波面変調素子を持たない形状を、Bで示す線が光波面変調素子を持ちかつ変曲点がある場合の形状を、Cで示す線が光波面変調素子を持つが変曲点がなく、単調増加する場合の形状を示している。
そして、本実施形態において、位相形状とは、図12に示すように、光波面変調素子を付加しない形状に対する光波面変調素子の形状の差分を持つ形状である。
また、光学系210全体の焦点距離に対して、光波面変調面の焦点距離を大きくすることで、画像の中心部から周辺部にかけて均一なOTFとすることが可能となる。
また、光学系210全体の焦点距離に対して、光波面変調面を備えた光波面変調素子(レンズ)の焦点距離を大きくすることで、画像の中心部から周辺部にかけて均一なOTFとすることが可能となる。
また、本発明の光波面変調面を回転対称な形状にすることにより、鏡筒に光波面変調素子を組み込む際に、光軸方向を中心に回転させて調整させる必要がなく、レンズと同様に配設することができ、製造工程が容易になる。
また、偽像を抑えて、自然なボケ味のまま深度を拡張することができる。
以下に、撮像素子、画像処理部等の他の構成部分の構成、機能について説明する。
撮像光学系210Aを介した被写体OBJからの光が、撮像素子220の撮像面222上に結像される。
なお、撮像素子220で撮像される被写体分散像は、光波面変調面213aにより撮像素子220上ではピントが合わず、深度の深い光束とボケ部分が形成された像である。
そして、本実施形態においては、画像処理装置240にてフィルタ処理を加えることにより物体間の距離の解像を補完することができるように構成されている。
この光学系210Aについては、後でさらに詳述する。
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。
タイミングジェネレータ231では、撮像素子220のCCDの駆動タイミングを生成しており、A/Dコンバータ232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240に出力する。
画像処理装置240、制御装置290の露出情報に応じて、光学的伝達関数(OTF)に対してフィルタ処理を行う。なお、露出情報として絞り情報を含む。
画像処理装置240は、撮像素子220による複数の画像に対して、光学的伝達関数(OTF)のレスポンスを向上させ、物体距離に応じた光学的伝達関数(OTF)の変化をなくすようにフィルタ処理(たとえばコンボリューションフィルタ処理)を行う機能を有し、複数の物体距離に依存しながらも、深い被写界深度を得る。また、画像処理装置240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。
画像処理装置240は、光学的伝達関数(OTF)に対してフィルタ処理を行いコントラストを改善する処理を施す機能を有する。
画像処理装置240の処理については後でさらに詳述する。
本実施形態においては、光学系210により収束される光束を規則正しく分散する。このように光波面変調素子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、光学系210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 Optical System)といい、この処理を画像処理装置240において行う。
図14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。
g=H*f
ただし、*はコンボリューションを表す。
f=H-1*g
ズームポジションをZPn,ZPn−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。
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。
図15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。
たとえば、図15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16に示すようになる。
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。
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。
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、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、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。
図18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19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。
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。
なぜなら、図19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。
なお、露出情報には、絞り情報が含まれる。
まず、露出情報(RP)が検出されコンボリューション制御部244に供給される(ST101)。
コンボリューション制御部244においては、露出情報RPから、カーネルサイズ、数値演係数がレジスタにセットされる(ST102)。
そして、撮像素子220で撮像され、AFE230を介して二次元コンボリューション演算部242に入力された画像データに対して、レジスタに格納されたデータに基づいてコンボリューション演算が行われ、演算され変換されたデータがカメラ信号処理部250に転送される(ST103)。
図24の例は露出情報に応じたフィルタカーネルを予め用意した場合のブロック図である。
図25の例は、画像処理装置240の最初にノイズ低減フィルタ処理のステップを有し、フィルタカーネルデータとして露出情報に応じたノイズ低減フィルタ処理ST1を予め用意した場合のブロック図である。
二次元コンボリューション演算部242においては、前記ノイズ低減フィルタ処理1ST1を施した後、カラーコンバージョン処理ST2によって色空間を変換、その後カーネルデータを用いてコンボリューション処理(OTF復元フィルタ処理)ST3を施す。
再度ノイズ低減フィルタ処理2ST4を行い、カラーコンバージョン処理ST5によって元の色空間に戻す。カラーコンバージョン処理は、たとえばYCbCr変換が挙げられるが、他の変換でも構わない。
なお、再度のノイズ処理ST4は省略することも可能である。
図26の例は、露出情報に応じたOTF復元フィルタを予め用意した場合のブロック図である。
二次元コンボリューション演算部242は、ノイズ低減フィルタ処理1ST11、カラーコンバージョン処理ST12の後に、前記OTF復元フィルタを用いてコンボリューション処理ST13を施す。
再度ノイズ低減フィルタ処理2ST14を行い、カラーコンバージョン処理ST15によって元の色空間に戻す。カラーコンバージョン処理は、たとえばYCbCr変換が挙げられるが、他の変換でも構わない。
なお、ノイズ低減フィルタ処理ST11、ST14は、いずれか一方のみでもよい。
図27の例は、ノイズ低減フィルタ処理のステップを有し、フィルタカーネルデータとして露出情報に応じたノイズ低減フィルタを予め用意した場合のブロック図である。
なお、再度のノイズ処理ST4は省略することも可能である。
露出設定時に決まる露出情報を露出情報検出部253より取得し、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。
二次元コンボリューション演算部242においては、ノイズ低減フィルタ処理1ST21を施した後、カラーコンバージョン処理ST22によって色空間を変換、その後カーネルデータを用いてコンボリューション処理ST23を施す。
再度、露出情報に応じたノイズ低減フィルタ処理2ST24を行い、カラーコンバージョン処理ST25によって元の色空間に戻す。カラーコンバージョン処理は、たとえばYCbCr変換が挙げられるが、他の変換でも構わない。
なお、ノイズ低減フィルタ処理ST21は省略することも可能である。
本例においては、主被写体までの距離を、距離検出センサを含む物体概略距離情報検出装置500により検出し、検出した距離に応じて異なる画像補正の処理を行うことにように構成されている。
この構成の他にも、以下の構成を採用することが可能である。
そして、変換手段としてのコンボリューション装置401が、係数選択手段としての画像処理演算プロセッサ403で選択された変換係数によって、画像信号の変換を行う。
そして、変換手段としてのコンボリューション装置401が、変換係数演算手段としての画像処理演算プロセッサ403で得られカーネル・数値演算係数格納レジスタ402に格納された変換係数によって、画像信号の変換を行う。
そして、被写体距離情報生成手段としての物体概略距離情報検出装置500により生成された距離情報に基づき、補正値選択手段としての画像処理演算プロセッサ403が、補正値記憶手段としてのカーネル・数値演算係数格納レジスタ402から被写体までの距離に応じた補正値を選択する。
変換手段としてのコンボリューション装置401が、第2変換係数記憶手段としてのカーネル・数値演算係数格納レジスタ402から得られた変換係数と、補正値選択手段としての画像処理演算プロセッサ403により選択された補正値とに基づいて画像信号の変換を行う。
光波面変調面を光軸に対して回転対称な形状とし、光波面変調素子を持たない一般的な光学系よりも球面収差を大きく発生させることにより、光波面変調素子を持たない一般的な光学系よりも物体距離に応じたOTFの変化を極めて小さくすることが可能となる。
また、本実施形態においては、光学系210全体の焦点距離に対して、光波面変調面の焦点距離を大きくすることで、画像の中心部から周辺部にかけて均一なOTFとすることが可能となる。
また、光学系210全体の焦点距離に対して、光波面変調面を備えた光波面変調素子(レンズ)の焦点距離を大きくすることで、画像の中心部から周辺部にかけて均一なOTFとすることが可能となる。
そして、光学系を簡単化でき、コスト低減を図ることができることはもとより、適切な画質の、ノイズの影響が小さい良好な復元画像を得ることが可能なことはもとより、製造が容易で、取り付け精度を必要とせず、反射の影響も抑止でき、画像の方向によりコントラストが異なることがない撮像装置を実現することができる。
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、自然な画像を得ることができる利点がある。
そして、本実施形態に係る撮像装置200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。
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。
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。
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。
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。
Claims (6)
- レンズと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、を有し、
前記光学系は、
前記光波面変調素子の変調面が光軸に対して回転対称な形状であり、かつディフォーカスに対する低周波および高周波のMTFのピーク位置が異なる特性を有する
撮像装置。 - 前記光波面変調素子の変調面の焦点距離が、光学系全体の焦点距離の絶対値に対して大きい
請求項1記載の撮像装置。 - 前記変調面を含む光波面変調素子の焦点距離が、光学系全体の焦点距離の絶対値に対して大きい
請求項1または2に記載の撮像装置。 - 前記光学系は
絞りを含み、当該絞りは前記光波面変調素子の近傍に配置されている
請求項1から3のいずれか一に記載の撮像装置。 - 前記光波面変調素子により、被写体分散画像が形成され、
前記撮像素子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画像処理部を有する
請求項1から4のいずれか一に記載の撮像装置。 - 情報コードを光学的に読み取る情報コード読取装置であって、
レンズと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、を有し、
前記光学系は、
前記光波面変調素子の変調面が光軸に対して回転対称な形状であり、かつディフォーカスに対する低周波および高周波のMTFのピーク位置が異なる特性を有する
情報コード読取装置。
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WO2006041219A2 (en) * | 2004-10-15 | 2006-04-20 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Enhancement of an image acquired with a multifocal lens |
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A521 | Written amendment |
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A02 | Decision of refusal |
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