JP2009147925A - Digital camera and digital camera system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a design of an optical low-pass filter optimal for a predetermined interpolation algorithm. <P>SOLUTION: A digital camera is provided with: a lens unit that forms an image of an object on an image picking-up surface; an image picking-up element that outputs an image signal of the object image, wherein a color filter is set so that a first color component takes at least half the density in a checker flag-like form at respective pixels arranged in a lattice form at pixel intervals (a, b) in two directions (x) and (y) and the other color components take the residual pixels; and an optical low-pass filter that carries out such an optical line separation that light passed through the lens unit is separated into two inclined directions of ((1/2)a, (1/2)b)×(√2/α) and ((1/2)a, -(1/2)b)×(√2/α) with respect to the (x, y) coordinate axes before the light is incident on the image picking-up element and that carries out a frequency modulation of the object image to eliminate a band for coupling spatial frequencies (α/(2a), 0) and (0, α/(2b)) at α times the positions of an x-direction Nyquist frequency 1/(2a) and a y-direction Nyquist frequency 1/(2b). <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、光学フィルタを備えたデジタルカメラおよびデジタルカメラシステムに関する。   The present invention relates to a digital camera and a digital camera system provided with an optical filter.

デジタルカメラではレンズで結像したアナログ像をサンプリングによってデジタル信号に変換を行なうので、ナイキストのサンプリング定理に従う。ナイキスト周波数以上の高周波成分は、固体物理学でよく知られた第一ブリルアンゾーンで折り返して低周波成分として認識され、いわゆるエイリアジング効果によってモアレが発生する。さらにカラーフィルタが配置された単板カラー撮像素子の場合は、色フィルタの密度差と位相差によって色モアレが発生する。   A digital camera converts an analog image formed by a lens into a digital signal by sampling, and therefore follows the Nyquist sampling theorem. A high frequency component equal to or higher than the Nyquist frequency is recognized as a low frequency component in the first Brillouin zone, which is well known in solid state physics, and moire is generated by a so-called aliasing effect. Furthermore, in the case of a single-plate color image pickup device in which color filters are arranged, color moiré occurs due to the density difference and phase difference of the color filters.

色補間を行なうときの予測誤差も合わせて一般に色モアレは偽色と呼ばれる。偽色はエイリアジング現象によって色補間における色差成分の補間予測間違いに伴って生じ、一般に偽色と実在色を補間アルゴリズムが区別をするのは困難である。また、輝度成分のエイリアジングに伴う補間予測間違いを一般に偽解像、偽構造と呼んだりする。この偽構造もまた、実構造と補間アルゴリズムが区別するのは一般に困難である。   In general, the color moire is called a false color together with a prediction error when performing color interpolation. A false color is generated due to an error in interpolation prediction of a color difference component in color interpolation due to an aliasing phenomenon, and it is generally difficult for an interpolation algorithm to distinguish between a false color and an actual color. Further, an interpolation prediction error associated with aliasing of the luminance component is generally called false resolution or false structure. This false structure is also generally difficult to distinguish between the real structure and the interpolation algorithm.

Bayer配列におけるサンプリング信号が持つ周波数解像域、すなわち第一ブリルアンゾーンの作図を図1に、ナイキスト周波数近辺で偽色、偽解像のエイリアジングが発生する様子を模式的に示した図を図2に示す。図1(a)は、Bayer配列におけるR成分の第一ブリルアンゾーンの作図であり、図1(b)は、Bayer配列におけるG成分の第一ブリルアンゾーンの作図であり、図1(c)は、Bayer配列におけるB成分の第一ブリルアンゾーンの作図である。他のカラーフィルタ配列、例えばデルタ配列の第一ブリルアンゾーンの作図例は、本願発明者の出願の特許文献1に示されている。   Fig. 1 shows a diagram of the frequency resolution area of the sampling signal in the Bayer array, that is, the first Brillouin zone, and a diagram schematically showing the occurrence of false color and false resolution aliasing near the Nyquist frequency. It is shown in 2. FIG. 1 (a) is a drawing of the first Brillouin zone of the R component in the Bayer arrangement, FIG. 1 (b) is a drawing of the first Brillouin zone of the G component in the Bayer arrangement, and FIG. FIG. 5 is a drawing of the first Brillouin zone of the B component in the Bayer arrangement. A drawing example of the first Brillouin zone of another color filter array, for example, a delta array, is shown in Patent Document 1 of the present inventor's application.

一般にカラーフィルタ配列が決まれば、周波数空間(k空間)上でその偽色・偽構造の発生する中心点(以降、極点と呼ぶ)は自動的に定まる。極点は通例、第一ブリルアンゾーンを形作る多角形における角の部分に現れ、正方格子配列の場合は多角形の線分の中点にも現れる。サーキュラーゾーンプレート(CZP)画像はちょうどk空間の解像域を表す図と対応しており、Bayer配列で無彩色CZP画像を撮影したときに現れる偽色の極点を図3に分類した例を示す。   In general, when a color filter arrangement is determined, a center point (hereinafter referred to as a pole) where the false color / false structure is generated is automatically determined in the frequency space (k space). The poles usually appear at the corners of the polygon that forms the first Brillouin zone, and in the case of a square lattice arrangement, they also appear at the midpoint of the polygonal line segment. The circular zone plate (CZP) image corresponds exactly to the figure representing the k-space resolution area, and shows an example in which the false color extreme points that appear when an achromatic CZP image is captured in the Bayer array are classified in FIG. .

従来、このエイリアジングの原因となる高周波成分をデジタル撮像する前に、光学ローパスフィルタ(OLPF)を通過させた撮像信号に対して色補間処理を行なうと偽色の発生を抑えることができるということが知られている。例えば、特許文献2、特許文献3、特許文献4にこの趣旨の開示がなされている。すなわち、正方格子配列の場合は横に1画素分と縦に1画素分の2回光線を分離して、4点分離型にするとちょうどその極点の周波数成分を完全にMTFがゼロになるまで殺すことができる。ちょうど一画素分のピッチに当たる量をシフトしてナイキスト周波数の100%の周波数位置に死滅周波数帯のMTFくぼみを作るという意味で100%OLPFと呼べ、縦(垂直)と横(水平)の2方向という意味で便宜上100%hvと書き表せる。図2には100%OLPFの場合の模式図(OLPFで示す点線)も示している。   Conventionally, it is possible to suppress the occurrence of false colors by performing color interpolation processing on an imaging signal that has passed through an optical low-pass filter (OLPF) before digital imaging of high-frequency components that cause this aliasing. It has been known. For example, Patent Literature 2, Patent Literature 3, and Patent Literature 4 disclose this effect. In other words, in the case of a square lattice arrangement, if the beam is separated twice for one pixel horizontally and one pixel vertically and the four-point separation type is used, the frequency component at that extreme point is killed until the MTF is completely zero. be able to. It can be called 100% OLPF in the sense that it shifts the amount corresponding to the pitch of one pixel and creates an MTF depression in the dead frequency band at a frequency position of 100% of the Nyquist frequency. In this sense, it can be written as 100% hv for convenience. FIG. 2 also shows a schematic diagram (dotted line indicated by OLPF) in the case of 100% OLPF.

また、特許文献5には交換レンズ式の一眼レフカメラにおいて、画素ピッチが異なる2台のカメラ、例えばそれぞれが7μm/pixelと5μm/pixelの撮像素子からなる2台のカメラでは、それぞれの画素ピッチにほぼ近いレベルの光線分離幅をもつ4点分離型の光学ローパスフィルタの実現の仕方について、光学ローパスフィルタの厚みの違いによる光路長の差で生じる収差の影響を低減するための方法に関する記述をしている。   Patent Document 5 discloses an interchangeable lens type single-lens reflex camera in which two cameras having different pixel pitches, for example, two cameras each having an image sensor of 7 μm / pixel and 5 μm / pixel, have respective pixel pitches. A description of a method for reducing the influence of aberration caused by the difference in the optical path length due to the difference in the thickness of the optical low-pass filter, as to how to realize a four-point separation type optical low-pass filter having a light separation width almost equal to is doing.

この中で、光学ローパスフィルタの利用方法の常識として、モアレの抑制のためには光線分離幅をほぼ画素ピッチに近い範囲に設定する必要があるとの記述が[0007]段落、[0226]段落、及びFig.18に記載がある。すなわち、Fig.18に示されるように8.92μm/pixelから4.88μm/pixelまでに渡って、画素ピッチが如何に変化しても光線分離幅は、ナイキスト周波数に対して相対的に一定の割合にある位置の周波数を殺すべきであるとの思想が展開されている。   Among these, as common sense of the method of using the optical low-pass filter, it is described that the light beam separation width needs to be set in a range substantially close to the pixel pitch in order to suppress moire [paragraphs [0007] and [0226]. And in Fig.18. In other words, as shown in Fig. 18, the beam separation width is relatively constant with respect to the Nyquist frequency regardless of how the pixel pitch changes from 8.92 μm / pixel to 4.88 μm / pixel. The idea that a certain frequency should be killed has been developed.

特開2004-7164号公報JP 2004-7164 A 実公昭47-18689号公報Japanese Utility Model Publication No. 47-18689 米国特許第4,626,897号明細書U.S. Pat.No. 4,626,897 米国特許第4,663,661号明細書U.S. Pat.No. 4,663,661 米国特許出願公開2005/0174467号明細書US Patent Application Publication No. 2005/0174467

上述のように、光学ローパスフィルタはその死滅周波数帯をナイキスト周波数近辺に設定しなければ、その周波数帯が生み出すモアレ要因のキャリアーを殺せないので、意味をなさず、これまで常識的にその近辺に設定するということがなされてきた。また、各社の設計的事項の範囲もその思想を踏襲するものであった。しかしながら、画素ピッチが5μm/pixelを超えて4μm/pixel、3μm/pixelというようにますます小さくなっていった場合、特に一眼レフ系レンズの環境下でどのような変化が生じて、何か画質的に問題を生じうるのか、という系統だった研究はなされていなかった。すなわち、ナキスト周波数の偽色・偽解像のレベルは具体的にどのように変化し、画像全体としては何が一番重要な問題点として浮上し、そのような問題に対して何か解決が図りうるのか、図りえないのか、あるいは図りえずしてどの時点で高画素数化の終わりを迎えるのか、全く未知の状態にあった。   As mentioned above, the optical low-pass filter does not make sense if the dead frequency band is not set near the Nyquist frequency. It has been done to set. The scope of design matters of each company followed the idea. However, when the pixel pitch exceeds 5 μm / pixel and becomes smaller, such as 4 μm / pixel and 3 μm / pixel, what changes occur in the environment of single lens reflex lenses, and what image quality There was no systematic study on whether this could cause problems. In other words, how the level of false color and false resolution of the Nakist frequency changes specifically, what has emerged as the most important problem for the entire image, and what can be solved for such a problem? It was completely unknown whether it could be planned, could not be planned, or at what point the end of the increase in the number of pixels could not be planned.

したがって、本発明はこれらを解明して具体的特性を明らかにすることにより、特に現状の一眼レフシステムにおいて、今後も高画素数化を図ることでできるような解決方法を提示する。   Therefore, the present invention presents a solution that can be achieved by increasing the number of pixels in the future, particularly in the current single-lens reflex system, by clarifying these and clarifying specific characteristics.

請求項1の発明は、デジタルカメラに適用され、撮像面に被写体の像を結像するレンズ部と、互いに直交するx,yの2方向に画素間隔(a,b)で格子状に配列された画素の各々に第1〜第n(n≧2)の色成分の内、第1の色成分が少なくとも市松状に半分の密度を占め、他の色成分が残りの画素を占めているカラーフィルタが配置され、被写体像の画像信号を出力する撮像素子と、レンズ部を通過した光が撮像素子に入射する前に、(x,y) 座標軸に対して斜め2方向((1/2)a,(1/2)b)x(√2/α)及び((1/2)a,−(1/2)b)x(√2/α)への光線分離を行って、撮像素子のx方向のナイキスト周波数1/(2a)及びy方向のナイキスト周波数1/(2b)に対してα倍の位置の空間周波数(α/(2a),0)と(0,α/(2b))を結ぶ帯域を死滅させる被写体像の周波数変調を行う光学ローパスフィルタ部とを備え、撮像素子の画素間隔(a,b)が共に2.5〜5μm/pixelの範囲にあるとき、光学ローパスフィルタの死滅周波数帯域の位置を、撮像素子のナイキスト周波数に対して1.5≦α≦3.5倍の範囲に設定することを特徴とするものである。
請求項5の発明は、デジタルカメラに適用され、撮像面に被写体の像を結像するレンズ部と、互いに直交するx,yの2方向に画素間隔(a,b)で格子状に配列された画素の各々に第1〜第n(n≧2)の色成分の内、第1の色成分が少なくとも市松状に半分の密度を占め、他の色成分が残りの画素を占めているカラーフィルタが配置され、被写体像の画像信号を出力する撮像素子と、レンズ部を通過した光が撮像素子に入射する前に、(x,y) 座標軸に対して垂直一方向(0,b/α)への光線分離を行って、撮像素子のy方向のナイキスト周波数1/(2b)に対してα倍の位置の空間周波数α/(2b)の帯域を死滅させる被写体像の周波数変調を行う光学ローパスフィルタ部とを備え、撮像素子の画素間隔(a,b)が共に2.5〜5μm/pixelの範囲にあるとき、光学ローパスフィルタの死滅周波数帯域の位置を、撮像素子のナイキスト周波数に対して1.1≦α≦2.0倍の範囲に設定することを特徴とするものである。
請求項9の発明は、デジタルカメラに適用され、撮像面に被写体の像を結像するレンズ部と、互いに直交するx,yの2方向に画素間隔(a,b)で格子状に配列された画素の各々に第1〜第n(n≧2)の色成分の内、第1の色成分が少なくとも市松状に半分の密度を占め、他の色成分が残りの画素を占めているカラーフィルタが配置され、被写体像の画像信号を出力する撮像素子と、レンズ部を通過した光が撮像素子に入射する前に、(x,y)座標軸に対して縦・横2方向(a/α,0)及び(0,b/α)への光線分離を行って、撮像素子のx方向のナイキスト周波数1/(2a)及びy方向のナイキスト周波数1/(2b)に対してα倍の位置の空間周波数(α/(2a),0)と(0,α/(2b))のそれぞれの帯域を死滅させる被写体像の周波数変調を行う光学ローパスフィルタ部とを備え、撮像素子の画素間隔(a,b)が共に2.5〜4μm/pixelの範囲にあるとき、光学ローパスフィルタの死滅周波数帯域の位置を、撮像素子のナイキスト周波数に対して1.45≦α≦2.5倍の範囲に設定することを特徴とするものである。
請求項21の発明は、デジタルカメラシステムに適用され、請求項1,5,9の何れか一項に記載のデジタルカメラと、デジタルカメラの撮像素子から出力された画像信号に対し、少なくともx軸とy軸の2方向に関して、互いに最小画素間隔で存在し合う異なる色成分間の色信号を用いてナイキスト周波数領域の分解能を備えた異色間類似度を算出し、異色間類似度に基づいて類似性の強い方向を判定し、類似性判定結果に基づいて、各々の画素に少なくとも1つの共通する色成分の色信号を生成する画像処理部とを備えたことを特徴とするものである。
The invention of claim 1 is applied to a digital camera, and is arranged in a lattice pattern with a pixel interval (a, b) in two directions x and y orthogonal to each other, with a lens unit that forms an image of a subject on an imaging surface. In each of the pixels, the color in which the first color component occupies at least half the density in a checkered pattern among the first to nth (n ≧ 2) color components, and the other color components occupy the remaining pixels. An image sensor that outputs an image signal of a subject image with a filter, and two directions oblique to the (x, y) coordinate axis ((1/2) before the light that has passed through the lens unit enters the image sensor. a), (1/2) b) x (√2 / α) and ((1/2) a, − (1/2) b) x (√2 / α) The spatial frequency (α / () at a position α times the Nyquist frequency 1 / (2a) in the x direction and the Nyquist frequency 1 / (2b) in the y direction. an optical low-pass filter unit that performs frequency modulation of a subject image that kills the band connecting a), 0) and (0, α / (2b)), and the pixel interval (a, b) of the image sensor is 2. When in the range of 5 to 5 μm / pixel, the position of the extinction frequency band of the optical low-pass filter is set to a range of 1.5 ≦ α ≦ 3.5 times the Nyquist frequency of the image sensor. Is.
The invention according to claim 5 is applied to a digital camera, and is arranged in a grid pattern with a pixel portion (a, b) in two directions x and y orthogonal to each other, and a lens unit that forms an image of a subject on an imaging surface. In each of the pixels, the color in which the first color component occupies at least half the density in a checkered pattern among the first to nth (n ≧ 2) color components, and the other color components occupy the remaining pixels. An image sensor in which a filter is disposed and outputs an image signal of a subject image, and a light perpendicular to the (x, y) coordinate axis (0, b / α) before the light passing through the lens unit enters the image sensor ) To perform frequency modulation of a subject image that kills the band of the spatial frequency α / (2b) at a position α times the Nyquist frequency 1 / (2b) in the y direction of the image sensor. A low-pass filter section, and the pixel interval (a, b) of the image sensor is 2.5. When in the range of -5 μm / pixel, the position of the extinction frequency band of the optical low-pass filter is set to a range 1.1 ≦ α ≦ 2.0 times the Nyquist frequency of the image sensor It is.
The invention according to claim 9 is applied to a digital camera, and is arranged in a grid pattern with a pixel portion (a, b) in two directions x and y orthogonal to each other, and a lens unit that forms an image of a subject on an imaging surface. In each of the pixels, the color in which the first color component occupies at least half the density in a checkered pattern among the first to nth (n ≧ 2) color components, and the other color components occupy the remaining pixels. An image sensor that has a filter and outputs an image signal of a subject image, and before the light that has passed through the lens unit enters the image sensor, two directions (a / α) with respect to the (x, y) coordinate axis. , 0) and (0, b / α), the position of the imaging element is α times the Nyquist frequency 1 / (2a) in the x direction and the Nyquist frequency 1 / (2b) in the y direction. Each band of spatial frequency (α / (2a), 0) and (0, α / (2b)) An optical low-pass filter unit that performs frequency modulation of a subject image, and when the pixel interval (a, b) of the image sensor is in the range of 2.5 to 4 μm / pixel, the position of the dead frequency band of the optical low-pass filter is determined. In this case, the range is set to 1.45 ≦ α ≦ 2.5 times the Nyquist frequency of the image sensor.
The invention of claim 21 is applied to a digital camera system. The digital camera according to any one of claims 1, 5, and 9 and an image signal output from an image sensor of the digital camera are at least x-axis. Calculate the similarity between different colors with the resolution of the Nyquist frequency domain using color signals between different color components that exist at the minimum pixel interval in the two directions of the y-axis and the similarity based on the similarity between the different colors And an image processing unit that determines a strong direction and generates a color signal of at least one common color component for each pixel based on the similarity determination result.

現行レンズ群の画素ピッチ依存性に関する具体的な特性に対する、カラーフィルタ配列のデモザイクで生じる偽解像・偽色への影響の変化を具体的に把握し、解明を行った。これにより、光学ローパスフィルタの従来にない使用方法を可能とし、その最適な設定の使用範囲を示すことによって、現行レンズシステムのまま偽解像、偽色の少ない高画質なデモザイク結果を維持して、更にピント感のある力強い写真を提供し続けながら画素ピッチの微細化を実現することができる。   We have grasped and clarified the change of the influence on the false resolution and the false color caused by the demosaic of the color filter array with respect to the specific characteristics regarding the pixel pitch dependence of the current lens group. This enables an unprecedented method of using the optical low-pass filter, and maintains a high-quality demosaic result with less false resolution and fewer false colors by showing the optimum setting range of use. In addition, the pixel pitch can be miniaturized while continuing to provide strong and powerful photographs.

本発明は、レンズMTF特性を加味した観点からの最適な光学フィルタの設計を提供するものである。とりわけ、可変な絞り値を有する一眼レフカメラのレンズ群において、撮像素子の画素ピッチを縮小して高画素数化していったときに生じるレンズMTF特性の対象周波数領域の拡大に伴う不可避な課題に対処する観点から光学ローパスフィルタを設計する。また、光学ローパスフィルタの特性を補間アルゴリズムとの相性に基づいて最適化するものでもあり、特に、所定の補間アルゴリズムを導入して最適な光学ローパスフィルタの設計を図って、総合画質の向上を提供する。   The present invention provides an optimum optical filter design from the viewpoint of taking lens MTF characteristics into consideration. In particular, in the lens group of a single-lens reflex camera having a variable aperture value, an inevitable problem associated with the expansion of the target frequency region of the lens MTF characteristic that occurs when the pixel pitch of the image sensor is reduced to increase the number of pixels. Design an optical low-pass filter from the point of view. It also optimizes the characteristics of the optical low-pass filter based on the compatibility with the interpolation algorithm. In particular, it introduces a predetermined interpolation algorithm to design an optimal optical low-pass filter and provides an improvement in overall image quality. To do.

<基本方針>
実施の形態の説明に入る前に本発明の基本的考えを序論として述べる。そして、それを実現する光学ローパスフィルタの設計と特性比較、及び幾何光学シミュレーションによる実験結果と波動光学にまで踏み込んだ考察を行なうことにより、以下に示す実施形態に至った理由及び根拠を示す。画像処理の具体的アルゴリズムについては後述する実施の形態の中で詳細を述べるが、ここでは高性能化した補間アルゴリズムの従来との対比を行なうことにより、どのような利点を活用することが出来、その利点を活用して新たに生ずる画素ピッチ縮小化に伴う課題に対してどのように対処できるようになるのかを示す。カラーフィルタ配列は最も代表的なベイヤ配列(画素ピッチaの正方配列)を例にとった説明をする。
<Basic policy>
Before the description of the embodiments, the basic idea of the present invention will be described as an introduction. Then, the reason and the basis for the following embodiments will be described by designing the optical low-pass filter for realizing it, comparing the characteristics, and conducting the experiment result by the geometrical optical simulation and considering the wave optics. The specific algorithm for image processing will be described in detail in the embodiments described later. Here, by comparing with the conventional interpolation algorithm with higher performance, what advantages can be utilized, It will be shown how it becomes possible to cope with a problem associated with a new reduction in pixel pitch by utilizing this advantage. The color filter array will be described by taking the most typical Bayer array (square array of pixel pitch a) as an example.

一般に、従来の2画素ピッチ間隔の同色相関を用いてしか方向判定しない補間アルゴリズムは、k空間の第一ブリルアンゾーンにおける8点を中心とした極点周りに盛大な偽色が発生する(図3参照)。これはカラーフィルタ配列から自動的に決まる偽色発生源の極点の構成と同じである。   In general, the conventional interpolation algorithm that determines the direction only by using the same color correlation at the two-pixel pitch interval generates a large false color around the poles centered on the eight points in the first Brillouin zone in the k space (see FIG. 3). ). This is the same as the configuration of the extreme points of the false color generation source automatically determined from the color filter array.

偽色のタイプは2種類に分けられ、一つ目は無彩色の解像領域でみた縦線ナイキスト周波数(±π/a,0)、横線ナイキスト周波数(0,±π/a)近傍で現れる青色と黄色の組み合わせの色モアレパターン1と、2つ目は無彩色の解像領域でみた斜め線ナイキスト周波数(±π/a,±π/a),(±π/a,−+π/a)近傍で現れる緑とマゼンタ色の組み合わせの色モアレパターン2である。   There are two types of false colors. The first one appears near the vertical line Nyquist frequency (± π / a, 0) and horizontal line Nyquist frequency (0, ± π / a) as seen in the resolution region of the achromatic color. The color moire pattern 1 is a combination of blue and yellow, and the second is the diagonal Nyquist frequency (± π / a, ± π / a), (± π / a, − + π / a) as seen in the achromatic resolution region. ) A color moire pattern 2 of a combination of green and magenta colors appearing in the vicinity.

また、解像力も図1のG成分の菱形で囲まれた領域内しか分解能がなく、その外側の高周波数帯域では全て偽解像となる。そこで、本発明者のUSP6,836,572では色成分を無視した1画素ピッチ間隔の異色相関で方向判定する技術が導入され、同色相関と組み合わせたその有効活用法を紹介している。しかし、その効果は絶大であるものの扱いは極めて難しく、改善の方向性は示しつつも、その輝度面への弊害対策が十分なレベルまで到達していなかった。   Further, the resolving power has a resolution only in the region surrounded by the G component rhombus in FIG. 1, and all of the resolving power is false in the high frequency band outside. In view of this, USP 6,836,572 of the present inventor introduced a technique for determining a direction by using a different color correlation at an interval of one pixel pitch ignoring a color component, and introduced an effective utilization method in combination with the same color correlation. However, although the effect is enormous, it is extremely difficult to handle, and while showing the direction of improvement, the countermeasures against harmful effects on the luminance surface have not reached a sufficient level.

それを実質的に大きく改善したのが、本発明者のUS2004/0080639で開示された色判定法であり、本実施の形態では更に本発明者のUS2006/0092298で開示された色勾配判定法を組み合わせた技術を採用する。これらの技術を用いることによって、ナイキスト周波数でのMTF、コントラストが極めて高く残っていても、偽色・偽解像が極めて少なく抑制された補間アルゴリズムを実現しうるようになる。   The color judgment method disclosed in US 2004/0080639 of the present inventor has substantially improved that. In this embodiment, the color gradient judgment method disclosed in US 2006/0092298 of the present inventor is further improved. Adopt combined technology. By using these techniques, even if the MTF and contrast at the Nyquist frequency remain extremely high, it is possible to realize an interpolation algorithm that suppresses false colors and false resolutions to a very low level.

この異色相関を用いたアルゴリズムを用いると縦線・横線のナイキスト周波数の分解能を備えるため、図3の色モアレパターン1を完全に消滅させ、色モアレパターン2も減らすことができる。また、上述の図1の菱形領域の外側の偽解像を方向判定の精度の観点から完全になくすことができる。これらの効果は、色差成分の生成時に異色相関を使えば偽色抑制効果が得られるし、輝度成分の生成時に異色相関を使えば偽解像抑制効果が得られ、切り分けて考えることができる。   If the algorithm using this different color correlation is used, the resolution of the Nyquist frequency of the vertical and horizontal lines is provided, so that the color moire pattern 1 in FIG. 3 can be completely eliminated and the color moire pattern 2 can be reduced. Further, the false resolution outside the rhombic region in FIG. 1 can be completely eliminated from the viewpoint of accuracy of direction determination. These effects can be considered separately by using a false color correlation when generating a color difference component and by obtaining a false color suppression effect when using a different color correlation when generating a luminance component.

ここで完全にという意味は、その発生の主たる要因である方向判定の間違いをなくすことができることを意味している。また、補間値算出においてどのような対策技術を講じても得たい方向に信号が存在しないことに由来するわずかな予測誤差は、方向判定間違いによる偽色・偽解像に比べ、最善の対策技術が講じられている場合、オーダーが小さいので省略して用いている。   Here, the term “complete” means that it is possible to eliminate an error in direction determination, which is the main cause of the occurrence. In addition, even if any countermeasure technique is used in calculating the interpolation value, the slightest prediction error resulting from the absence of a signal in the desired direction is the best countermeasure technique compared to false color / false resolution due to direction determination errors. Is omitted, because the order is small.

このように、異色相関を色差成分や輝度成分の生成時に使えば、縦・横ナイキスト周波数(±π/a,0),(0,±π/a)近傍で現れていた偽色・偽解像の発生を心配する必要がなくなる。したがって、もはやその領域の偽色・色モアレの発生を心配して光学ローパスフィルタによってその帯域の信号コントラストを死滅させる必要性はなくなる。すなわち、色モアレ発生源の極点上に存在する周波数帯域のMTFの値が有限であっても、偽色・偽解像の発生を極力抑制する色補間アルゴリズムの環境が整ったということができる。従って、光学ローパスフィルタの設計に新たな自由度を与え、画素ピッチ微細化に伴って現われる新たな課題に対して、その対処能力の全エネルギーを振り向けることが可能となる。また、1つの最良の光学ローパスフィルタの選び方の形態として、異色相関を使っても消し去ることが出来ない斜めナイキスト周波数領域(±π/a,±π/a),(±π/a,-+π/a)に光学ローパスフィルタのエネルギーを集中させることができる。   In this way, if different color correlation is used when generating chrominance components and luminance components, false colors and false solutions appearing near the vertical and horizontal Nyquist frequencies (± π / a, 0) and (0, ± π / a). There is no need to worry about the image. Therefore, there is no longer a need to destroy the signal contrast of the band by the optical low-pass filter because there is no need to worry about generation of false color / color moire in the area. That is, it can be said that the environment of the color interpolation algorithm that suppresses the generation of false color and false resolution as much as possible is prepared even if the MTF value in the frequency band existing on the extreme point of the color moire generation source is finite. Therefore, it is possible to give a new degree of freedom to the design of the optical low-pass filter and to allocate all the energy of the coping ability to the new problem that appears with the miniaturization of the pixel pitch. In addition, as a method of selecting one of the best optical low-pass filters, an oblique Nyquist frequency region (± π / a, ± π / a), (± π / a, − The energy of the optical low-pass filter can be concentrated on + π / a).

なお、異色相関のことを異色間類似度、同色相関のことを同色間類似度とも呼び、どちらの表現も本文中では区別なく用いる。また、MTF(Modulation Transfer Function)という表現は、光学系が伝達することができるコントラストとほぼ同義の意味で用いているが、厳密にMTFを用いて議論するのが許されるのはある制約条件を満たす場合に限られる。すなわち、線形性の重ね合わせの原理を満たす電磁場を更に2乗することで算出された後の光の強度分布像についても再度フーリエ展開による重ねあわせが許される場合に限られる。したがって、ここではより広い意味で定義が可能なコントラストを用いて議論を行なう。   Different color correlation is also called similarity between different colors, and same color correlation is also called similarity between same colors, and both expressions are used in the text without distinction. In addition, the expression MTF (Modulation Transfer Function) is used in the same meaning as the contrast that can be transmitted by the optical system. However, strictly speaking, it is allowed to discuss using the MTF. Limited to meet. In other words, the intensity distribution image of the light calculated by further squaring the electromagnetic field that satisfies the linearity superposition principle is limited to the case where superposition by Fourier expansion is allowed again. Therefore, here we will discuss using a contrast that can be defined in a broader sense.

<光学ローパスフィルタの候補とコントラスト特性>
図2の模式的に表した図から明らかなように光学ローパスフィルタを入れると、本来高いMTF特性のままでいて欲しい中周波領域にまでMTF低下作用が働くので、信号強度のコントラスト、すなわち画像の鮮鋭感や解像感が低下する。したがって、単板撮像素子において鮮鋭感と偽色の抑制はトレードオフの関係にあり、サンプリングによる測定という空間的量子化操作に伴って量子力学の不確定性原理に従う。すなわち、コントラストと色の不確定性関係から両方を同時に精度よく定めることはできず、どちらか一方を重視すればもう一方の性能が低下し、両者を同時に達成できる精度には限界がある。
<Optical low-pass filter candidates and contrast characteristics>
As is apparent from the schematic representation of FIG. 2, when an optical low-pass filter is inserted, the MTF lowering action works to the middle frequency region where the original high MTF characteristic is desired to be maintained. Sharpness and resolution are reduced. Therefore, sharpness and suppression of false color are in a trade-off relationship in a single-plate image sensor, and follow the uncertainty principle of quantum mechanics with the spatial quantization operation of measurement by sampling. That is, both cannot be accurately determined simultaneously from the relationship between the contrast and the color uncertainty, and if one of them is regarded as important, the performance of the other is lowered, and there is a limit to the accuracy with which both can be achieved simultaneously.

正方格子配列において100%hv型のOLPFは上記トレードオフの関係において偽色抑制を最重視した場合に相当し、OLPFなしの状態はコントラスト、鮮鋭感を最重視した場合に相当する。前者は、図2において「合成MTF」として示される実線の特性に相当し、後者は、図2において「光学系MTF」として示される実線の特性に相当する。したがって、前者はほぼ偽色が発生しないもののぼけ過ぎているという問題を有し、後者は極めて鮮明であるものの偽色・偽構造が多発するという問題を有する。   In the square lattice arrangement, 100% hv-type OLPF corresponds to the case where false color suppression is most important in the above trade-off relationship, and the state without OLPF corresponds to the case where contrast and sharpness are most important. The former corresponds to the characteristic of the solid line shown as “synthetic MTF” in FIG. 2, and the latter corresponds to the characteristic of the solid line shown as “optical system MTF” in FIG. Therefore, the former has a problem that the false color is hardly generated, but has a problem that it is too blurred, and the latter has a problem that the false color and the false structure frequently occur although it is very clear.

従って、実際にはカラーフィルタ配列から自動的に決まる偽色発生源の極点(図3参照)の周波数帯域にできるだけ接するような形で、光学ローパスフィルタの死滅周波数帯域を設定しなければならず、縦・横2枚構成を維持したまま100%からあまり離すことができない。従来のデジタルカメラでは、静止画画質における偽色、色モアレ発生を避けることを最重要視し、ベイヤ配列に対し、hv型では100%に近い値を取らざるを得ず、そこから少し離したとしても133%hvを採用するのが限界であった。   Therefore, in practice, the dead frequency band of the optical low-pass filter must be set in such a way that it is as close as possible to the frequency band of the pole of the false color generation source (see FIG. 3) automatically determined from the color filter array. Can not be separated from 100% while maintaining the vertical / horizontal configuration. In conventional digital cameras, the most important thing is to avoid the occurrence of false colors and color moire in still image quality. For the Bayer array, the hv type has to take a value close to 100%, which is a little away from it. Even so, the limit was to use 133% hv.

1.シミュレーションに用いた光学ローパスフィルタの3形態
上述のように、光学ローパスフィルタはナイキスト周波数近辺で用いられることが常識的であった。しかし、ここでは、序論の最後に述べる一眼レフ系レンズの画素ピッチ縮小化に伴って現われる本質的で最も重要な課題に対して対処する方法がありうるのかを探るため、従来の思想を脱して大胆にナイキスト周波数から無限大周波数までの連続的な強度を設定し、それらがレンズMTFの画素ピッチ依存性に対する変化に対してナイキスト周波数領域に有効に作用するかどうかを調べることにする。
1. Three types of optical low-pass filters used in the simulation As described above, it was common sense that the optical low-pass filters were used near the Nyquist frequency. However, in order to find out if there is a possible way to deal with the essential and most important problems that appear with the reduction in pixel pitch of single lens reflex lenses described at the end of the introduction, we will take the conventional idea away. The continuous intensity from the Nyquist frequency to the infinite frequency is set boldly, and whether or not they effectively act on the Nyquist frequency region with respect to the change to the pixel pitch dependence of the lens MTF is examined.

(第一の形態:hv2方向型)
光学ローパスフィルタは複屈折板を用いて一本の光線を2本の50%ずつの強度を持つ光に分離する手法がよく用いられる(図4)。したがって、従来の縦横100%分離する手法は、1枚の複屈折板を用いて一度縦方向に1画素分だけ光線分離して2本とし、更にもう1枚の複屈折板を用いて横方向に1画素分だけ光線分離して合計4本の4点分離させるのが一般的である。
(First form: hv2 direction type)
An optical low-pass filter often uses a birefringent plate to separate one light beam into two light beams each having 50% intensity (FIG. 4). Therefore, the conventional 100% vertical / horizontal separation method uses a single birefringent plate to separate the light beam by one pixel once in the vertical direction, and further separates it into a horizontal direction using another birefringent plate. In general, light is separated by one pixel and a total of four points are separated.

2枚の複屈折板を用いて縦横100%に4点分離する光学ローパスフィルタを便宜上、100%hvと表すことにする。縦横方向に3/4画素ずつ4点分離した光学ローパスフィルタは、その死滅周波数帯のナイキスト周波数に対するパーセント表示を用いて、分離幅の逆数から133%hvと表す。   For convenience, an optical low-pass filter that uses two birefringent plates and separates four points vertically and horizontally 100% will be expressed as 100% hv. An optical low-pass filter that is separated by 4 pixels by 3/4 pixels in the vertical and horizontal directions is expressed as 133% hv from the reciprocal of the separation width using a percentage display for the Nyquist frequency in the dead frequency band.

第一の形態では、従来型の縦横2方向4点分離型をとり、画素ピッチ依存性と画像処理性能依存性を調べるため、100%から徐々に弱めて∞%まで変化させる形態をとる。光線分離のずらし量と便宜表示の関係について、代表的な例について図5に記す。図5は第一の形態の光学ローパスフィルタの便宜表示と光線分離のずらし量(光線シフト量)の代表的な例の一覧を示す。これらの光学ローパスフィルタを用いて画素ピッチの変化に対して色モアレ抑制と鮮鋭感保持の両立が可能な解が存在しうるのかを試すことにする。図6は、133%hvの場合の対応k空間図と実空間変位式を示す図である。   In the first mode, the conventional vertical / horizontal 2-direction 4-point separation type is used, and in order to investigate the pixel pitch dependency and the image processing performance dependency, the mode is gradually decreased from 100% to ∞%. A typical example of the relationship between the amount of beam separation shift and the convenience display is shown in FIG. FIG. 5 shows a list of typical examples of the convenience display of the first embodiment of the optical low-pass filter and the shift amount of light beam separation (light beam shift amount). Let us examine whether there is a solution that can achieve both suppression of color moire and maintenance of sharpness with respect to changes in pixel pitch using these optical low-pass filters. FIG. 6 is a diagram showing a corresponding k space diagram and a real space displacement formula in the case of 133% hv.

撮像素子の画素が互いに直交するx,yの2方向に画素間隔(ピッチ)(a,b)で格子状に配列されているとすると、撮像素子のx方向のナイキスト周波数1/(2a)及びy方向のナイキスト周波数1/(2b)に対してα倍の位置の空間周波数(α/(2a),0)と(0,α/(2b))のそれぞれの帯域は、図6の点線に示されている。図6は、α=133%の例が示されている。ただし、a=bとしている。   If the pixels of the image sensor are arranged in a grid with pixel intervals (pitch) (a, b) in two directions x and y orthogonal to each other, the Nyquist frequency 1 / (2a) in the x direction of the image sensor and The respective bands of the spatial frequencies (α / (2a), 0) and (0, α / (2b)) at positions α times the Nyquist frequency 1 / (2b) in the y direction are indicated by dotted lines in FIG. It is shown. FIG. 6 shows an example in which α = 133%. However, a = b.

なお、上記のように光学ローパスフィルタの光線を分離することは、分離幅に対応する周波数帯域の信号を伝えるキャリアー(信号伝達能力)をゼロに死滅させる操作をすることに相当し、MTF特性ではその死滅帯域にくぼみを作ることに相当する。   In addition, separating the light beam of the optical low-pass filter as described above corresponds to an operation of killing a carrier (signal transmission capability) that transmits a signal in a frequency band corresponding to the separation width to zero. Equivalent to making a depression in the dead zone.

(第2の形態:dd2方向型)
前節の<基本方針>の最後に述べた光学ローパスフィルタに該当する候補の1つが、第一の形態で構成した2枚の複屈折板をそのまま45度回転して、その強度を141%から徐々に弱めて∞%にまで変化させる方式である。斜め対角2方向に光線分離することから141%の場合は便宜上141%ddと書ける。141%ddのとき丁度、斜めナイキスト周波数の(±π/a,±π/a),(±π/a,−+π/a)上で光学ローパスフィルタの死滅周波数帯が斜め方向に横切り、縦横周波数軸に対しては縦・横ナイキスト周波数の丁度2倍の(±2π/a,0),(0,±2π/a)で死滅周波数帯が横切ることになる。
(Second form: dd2 direction type)
One of the candidates corresponding to the optical low-pass filter described at the end of <Basic Policy> in the previous section rotates the two birefringent plates configured in the first form as they are by 45 degrees, and gradually increases their strength from 141%. This is a method of changing to ∞%. In the case of 141%, it is possible to write 141% dd for convenience because light rays are separated in two diagonal directions. When 141% dd, the optical low pass filter's dead frequency band crosses diagonally on the diagonal Nyquist frequencies (± π / a, ± π / a), (± π / a,-+ π / a) The dead frequency band crosses the frequency axis at (± 2π / a, 0), (0, ± 2π / a), which is exactly twice the vertical and horizontal Nyquist frequencies.

したがって、縦・横ナイキスト近辺のコントラスト強度は高く保たれる。縦・横ナイキスト周波数近辺の偽色・偽解像対策はその領域のコントラストが強く残っていても十分に対応可能な高性能な画像処理に任せる。   Therefore, the contrast intensity around the vertical and horizontal Nyquist is kept high. Countermeasures against false colors and false resolutions near the vertical and horizontal Nyquist frequencies are left to high-performance image processing that can sufficiently handle even if the contrast in the area remains strong.

光学ローパスフィルタの強度を弱めていったときの光線分離のずらし量と便宜表示の関係について、代表的な例について図7に記す。ここで、パーセント表示は丁度一方向の光線シフト量のユークリッド距離の逆数になっていることを指摘しておく。図7は第2の形態の光学ローパスフィルタの便宜表示と光線分離のずらし量(光線シフト量)の代表的な例の一覧を示す。これらの光学ローパスフィルタを用いて画素ピッチの変化に対して色モアレ抑制と鮮鋭感保持の両立が可能な解が存在しうるのかを試すことにする。図8は、141%ddの場合の対応k空間図と実空間変位式を示す図である。   FIG. 7 shows a typical example of the relationship between the amount of beam separation shift and the convenience display when the intensity of the optical low-pass filter is weakened. Here, it is pointed out that the percentage display is just the reciprocal of the Euclidean distance of the light beam shift amount in one direction. FIG. 7 shows a list of typical examples of the convenience display of the optical low-pass filter according to the second embodiment and the amount of ray separation shift (light ray shift amount). Let us examine whether there is a solution that can achieve both suppression of color moire and maintenance of sharpness with respect to changes in pixel pitch using these optical low-pass filters. FIG. 8 is a diagram illustrating a corresponding k-space diagram and a real space displacement formula in the case of 141% dd.

撮像素子の画素が互いに直交するx,yの2方向に画素間隔(ピッチ)(a,b)で格子状に配列されているとすると、撮像素子のx方向のナイキスト周波数1/(2a)及びy方向のナイキスト周波数1/(2b)に対してα倍の位置の空間周波数(α/(2a),0)と(0,α/(2b))を結ぶ帯域は、図8の点線に示されている。図8は、α=141%の例が示されている。ただし、a=bとしている。   If the pixels of the image sensor are arranged in a grid with pixel intervals (pitch) (a, b) in two directions x and y orthogonal to each other, the Nyquist frequency 1 / (2a) in the x direction of the image sensor and The band connecting the spatial frequencies (α / (2a), 0) and (0, α / (2b)) at a position α times the Nyquist frequency 1 / (2b) in the y direction is indicated by a dotted line in FIG. Has been. FIG. 8 shows an example in which α = 141%. However, a = b.

(第3の形態:v1方向型)
前節の<基本方針>の最後に述べた光学ローパスフィルタに該当する候補のもう1つが、第一の形態で構成した2枚の複屈折板の1枚を抜いて、一方向のみとし、その代わり強度を100%まで出だしを戻して強くし、それから徐々に∞%まで弱めていく方法である。このとき、縦方向のシフトと横方向のシフトのどちらを抜けばよいかという問題が生じるが、一般に重力場中の安定性の関係上、統計的に画像構造は横線よりも縦線で現れる確率の方が多少多いため、縦解像を増やすのがよく、横方向のシフトをはずすのがよい。
(Third form: v1 direction type)
Another candidate corresponding to the optical low-pass filter described at the end of the <Basic Policy> in the previous section is to remove one of the two birefringent plates configured in the first form and make it only in one direction. This is a method of increasing the strength up to 100% and increasing it, and then gradually decreasing it to ∞%. At this time, there is a problem of whether to exit the vertical shift or the horizontal shift, but generally the probability that the image structure appears as a vertical line rather than a horizontal line due to the stability in the gravitational field. Since there are a little more, it is better to increase the vertical resolution and to remove the horizontal shift.

縦方向に100%2点分離した場合、便宜的に100%vと書ける。100%vのとき丁度、斜めナイキスト周波数帯上の(±π/a,±π/a),(±π/a,−+π/a)の4つの極点と、縦ナイキスト周波数(0,±π/a)の2つの極点で死滅周波数帯が横切ることになる。したがって、残りの2つの極点の横ナイキスト周波数(±π/a,0)近辺のコントラスト強度は高く保たれる。横ナイキスト周波数近辺の偽色・偽解像対策はその領域のコントラストが強く残っていても十分に対応可能な高性能な画像処理に任せる。   When 100% 2 points are separated in the vertical direction, 100% v can be written for convenience. At 100% v, exactly four poles (± π / a, ± π / a) and (± π / a, − + π / a) on the diagonal Nyquist frequency band, and the vertical Nyquist frequency (0, ± π The extinction frequency band crosses at the two extreme points of / a). Therefore, the contrast intensity around the transverse Nyquist frequency (± π / a, 0) of the remaining two extreme points is kept high. Countermeasures against false color and false resolution near the horizontal Nyquist frequency are left to high-performance image processing that can sufficiently handle even if the contrast in the area remains strong.

光学ローパスフィルタの強度を弱めていったときの光線分離のずらし量と便宜表示の関係について、代表的な例について図9に記す。図9は第3の形態の光学ローパスフィルタの便宜表示と光線分離のずらし量(光線シフト量)の代表的な例の一覧を示す。これらの光学ローパスフィルタを用いて画素ピッチの変化に対して色モアレ抑制と鮮鋭感保持の両立が可能な解が存在しうるのかを試すことにする。図10は、100%vの場合の対応k空間図と実空間変位式を示す図である。   FIG. 9 shows a typical example of the relationship between the amount of light separation shift and the convenience display when the intensity of the optical low-pass filter is weakened. FIG. 9 shows a list of typical examples of the convenience display of the optical low-pass filter according to the third embodiment and the amount of ray separation shift (light ray shift amount). Let us examine whether there is a solution that can achieve both suppression of color moire and maintenance of sharpness with respect to changes in pixel pitch using these optical low-pass filters. FIG. 10 is a diagram illustrating a corresponding k-space diagram and a real space displacement formula in the case of 100% v.

撮像素子の画素が互いに直交するx,yの2方向に画素間隔(ピッチ)(a,b)で格子状に配列されているとすると、撮像素子のy方向のナイキスト周波数1/(2b)に対してα倍の位置の空間周波数α/(2b)の帯域は、図10の点線に示されている。図10は、α=100%の例が示されている。ただし、a=bとしている。   Assuming that the pixels of the image sensor are arranged in a grid with pixel intervals (pitch) (a, b) in two directions x and y orthogonal to each other, the Nyquist frequency 1 / (2b) in the y direction of the image sensor. On the other hand, the band of the spatial frequency α / (2b) at the position of α times is shown by a dotted line in FIG. FIG. 10 shows an example in which α = 100%. However, a = b.

なお、縦ナイキスト周波数は周波数空間で縦軸(y軸)上に位置するナイキスト周波数の意味で用いており、そこでは横縞の線がナイキスト構造になっている意味で横線ナイキスト周波数とも呼べる。同様に横ナイキスト周波数は縦線ナイキスト周波数と同じ意味で用いている。   Note that the vertical Nyquist frequency is used to mean the Nyquist frequency located on the vertical axis (y-axis) in the frequency space, and can be called a horizontal Nyquist frequency in the sense that the horizontal stripes have a Nyquist structure. Similarly, the horizontal Nyquist frequency is used in the same meaning as the vertical Nyquist frequency.

2.鮮鋭感の定義と比較
ここで、それぞれの光学ローパスフィルタがどのようなコントラスト特性を持っているのか調べることにする。複屈折板を通って出てきた正常屈折波と異常屈折波の平面波が満たす場の重ね合わせの原理に基づくモデルによって、電磁場のエネルギースペクトルを算出し、その状態密度の総和の比較によって鮮鋭感を定義する。このような考え方は、幾何光学からのずれが著しくなるような系を考察する場合の波動光学的近似に近い演繹を行なっているともいえる。従来の文献でよく示される光学ローパスフィルタのMTF特性関数は幾何光学モデルに基づくものである。その場合の導出方法は例えば日本特許昭51-14033に示されている。これは、一般に複屈折における正常光と異常光の2本の光線が、偏光特性による非干渉性の考え方に基づいている。しかしながら、現在考えているような系においては、特に垂直入射からずれる入射角が増える場合、複屈折における波の反射と屈折の法則の角度依存性を反映して波動的性質が大きく現れ、幾何光学モデルからのずれは顕著になる。
2. Definition and comparison of sharpness Here, we will examine the contrast characteristics of each optical low-pass filter. The energy spectrum of the electromagnetic field is calculated by a model based on the superposition principle of the field that the plane waves of normal and extraordinary refracted waves coming out of the birefringent plate satisfy, and the sharpness is obtained by comparing the sum of the density of states. Define. Such an idea can be said to be a deduction similar to the wave optical approximation when considering a system in which the deviation from geometric optics becomes significant. The MTF characteristic function of the optical low-pass filter often shown in the conventional literature is based on a geometric optical model. The derivation method in that case is shown, for example, in Japanese Patent No. 51-14033. This is generally based on the concept of incoherence of two light beams of normal light and extraordinary light in birefringence due to polarization characteristics. However, in systems such as those currently considered, especially when the incident angle deviates from normal incidence increases, wave properties appear largely reflecting the angle dependence of wave reflection and refraction laws in birefringence, and geometric optics. Deviations from the model are significant.

(縦横2方向型の場合)
α×100%ずらしたときの光線分離量は、図5にも示した通り、次式により表される。αは、画素ピッチ分の分離幅を1とした場合の、分離幅の逆数を示す。

Figure 2009147925
光の進行波が作る電磁場は、次式によって記述する。
Figure 2009147925
ただし、x^,y^は実空間内のx軸とy軸のそれぞれの方向の単位ベクトルを表す。 (For vertical and horizontal two-way type)
As shown in FIG. 5, the amount of light separation when shifted by α × 100% is expressed by the following equation. α represents the reciprocal of the separation width when the separation width corresponding to the pixel pitch is 1.
Figure 2009147925
The electromagnetic field created by the traveling wave of light is described by the following equation.
Figure 2009147925
Here, x ^ and y ^ represent unit vectors in the respective directions of the x axis and the y axis in real space.

第一項の非定常項が進行波を表し、第2項以下の定常項が伝達可能な周波数特性を表す。センサーで実際に観測される光の強度は、上記電磁場の平方、すなわち複素共役積をとった絶対値の2乗で決まる。その物理量は周波数空間(k空間)の関数としてはエネルギースペクトル(パワースペクトル)に相当し、実空間で観測される信号強度比としてはコントラストに相当するといえる。第一項は複素共役積をとることによって1になるので、実質第2項以下の絶対値の2乗だけが残る。   The unsteady term of the first term represents a traveling wave, and the stationary term of the second term and below represents a frequency characteristic that can be transmitted. The intensity of light actually observed by the sensor is determined by the square of the electromagnetic field, that is, the square of the absolute value of the complex conjugate product. The physical quantity corresponds to the energy spectrum (power spectrum) as a function of the frequency space (k space), and the signal intensity ratio observed in the real space corresponds to the contrast. Since the first term becomes 1 by taking the complex conjugate product, only the square of the absolute value of the second term or less remains.

単位画素当りの光学ローパスフィルタの強弱を表す主観的な鮮鋭感の指標を、このパワースペクトルをベイヤ配列の無彩色の原理的解像再現域、すなわち実空間の基本格子ベクトル(a,0)と(0,a)が作る格子点に対し、逆格子ベクトル(2π/a,0)と(0,2π/a)が張る逆格子空間内の第一ブリルアンゾーン|kx|≦π/a, |ky|≦π/aの領域で積分したもので客観的な物理的定義に基づいて評価する。すなわち、

Figure 2009147925
An index of subjective sharpness that expresses the strength of the optical low-pass filter per unit pixel, and this power spectrum is the fundamental resolution reproduction area of the achromatic color of the Bayer array, that is, the basic lattice vector (a, 0) in real space. The first Brillouin zone | kx | ≦ π / a, | in the reciprocal lattice space spanned by reciprocal lattice vectors (2π / a, 0) and (0,2π / a) for the lattice points created by (0, a) Integrates in the region of ky | ≦ π / a and evaluates based on an objective physical definition. That is,
Figure 2009147925

鮮鋭感の指標steepness indexは、

Figure 2009147925
The sharpness index
Figure 2009147925

この鮮鋭感の指標を光学ローパスフィルタの強度αの関数として表したグラフを、以下に計算する他の光学ローパスフィルタ構成の場合と合わせて図11に示す。図11(a)は、横軸に光学ローパスフィルタの強度αを取り、縦軸に鮮鋭感の指標を取ったグラフである。図11(b)は、横軸に光学ローパスフィルタの強度αの逆数を取り、縦軸に鮮鋭感の指標を取ったグラフである。光学ローパスフィルタの強度αは、画素ピッチ分の分離幅を1とした場合の分離幅の逆数を示す。従って、αの逆数は、画素ピッチ幅を1に正規化した値に相当する。上記式はベイヤ配列の場合の例を示したが、一般に他のカラーフィルタ配列の場合はその基本格子ベクトルに対応する逆格子空間の第一ブリルアンゾーンに積分範囲を設定するものとする。第一ブリルアンゾーンの定義及びその導出方法については、キッテル「固体物理学入門」(第6版)の第2章「逆格子」に詳述されている。   A graph showing this sharpness index as a function of the intensity α of the optical low-pass filter is shown in FIG. 11 together with other optical low-pass filter configurations calculated below. FIG. 11A is a graph in which the horizontal axis represents the intensity α of the optical low-pass filter and the vertical axis represents the sharpness index. FIG. 11B is a graph in which the horizontal axis represents the reciprocal of the intensity α of the optical low-pass filter and the vertical axis represents the sharpness index. The intensity α of the optical low-pass filter indicates the reciprocal of the separation width when the separation width corresponding to the pixel pitch is 1. Therefore, the reciprocal of α corresponds to a value obtained by normalizing the pixel pitch width to 1. Although the above formula shows an example in the case of the Bayer array, in general, in the case of another color filter array, the integration range is set in the first Brillouin zone of the reciprocal lattice space corresponding to the basic lattice vector. The definition of the first Brillouin zone and its derivation method are described in detail in Chapter 2 “Reciprocal lattice” of Kittel “Introduction to Solid State Physics” (6th edition).

(斜め2方向型の場合)
α×100%ずらしたときの光線分離量は、図7にも示した通り、次式により表される。

Figure 2009147925
光の進行波が作る電磁場は、
Figure 2009147925
鮮鋭感の指標steepness indexは、
Figure 2009147925
(In the case of diagonal two-way type)
The amount of light separation when shifted by α × 100% is expressed by the following equation as shown in FIG.
Figure 2009147925
The electromagnetic field created by the traveling wave of light is
Figure 2009147925
The sharpness index
Figure 2009147925

(縦1方向型の場合)
α×100%ずらしたときの光線分離量は、図9にも示した通り、次式により表される。

Figure 2009147925
光の進行波が作る電磁場は、
Figure 2009147925
鮮鋭感の指標steepness indexは、
Figure 2009147925
(For vertical one-way type)
The amount of light separation when shifted by α × 100% is expressed by the following equation as shown in FIG.
Figure 2009147925
The electromagnetic field created by the traveling wave of light is
Figure 2009147925
The sharpness index
Figure 2009147925

このように計算された鮮鋭感の指標は、実際にシミュレーションで画像に適用して主観評価した印象とほどよく一致することが実験により確認されている。ただし、鮮鋭感指標のほうはむしろ実在系に近づける方向に定義しているので、幾何光学のみのシミュレーションの場合とは完全には一致しないかもしれないが、大小関係は保存されるであろうと期待される。事実、シミュレーション用標準画像に対して、以下に述べる1/4解像度とOLPF無との比較実験では、期待の範囲内で近い、あるいはその逆ともいえるほどに1/4解像度のほうが鮮鋭感が高いということを確認している。   It has been experimentally confirmed that the sharpness index calculated in this way is in good agreement with the impression that is actually applied to the image by simulation and subjectively evaluated. However, since the sharpness index is defined in a direction closer to the real system, it may not be completely the same as in the simulation using only geometric optics, but it is expected that the magnitude relationship will be preserved. Is done. In fact, compared to the standard image for simulation, in the comparison experiment between 1/4 resolution and OLPF without the following, 1/4 resolution is higher in sharpness so that it is close to the expected range or vice versa. It is confirmed that.

上記実験結果から、実際に指標の値が0.01すなわち1%違っても画質として鮮鋭感の違いを区別できる。0.05すなわち5%違えば明らかに鮮鋭感、透明感、立体感が大きく異なることが認識できる。この値は高くなればなるほどよく、光学ローパスフィルタ無、すなわちα=∞のとき単位画素(a×a)当り1という値をとる。   From the above experimental results, it is possible to distinguish the difference in sharpness as the image quality even if the index value actually differs by 0.01, that is, 1%. When 0.05 or 5% is different, it can be clearly recognized that sharpness, transparency, and three-dimensionality are greatly different. The higher this value is, the better. The value is 1 per unit pixel (a × a) when there is no optical low-pass filter, that is, α = ∞.

従来の100%hvのとき鮮鋭感の指標が0.25になるのは1画素に入る光線を4画素にぼかしていることからもエネルギー保存則を満たし、1/4となるのは納得できる。すなわち、従来の100%hv型光学ローパスフィルタは、画素数という解像度の違いこそあれ、画素単位でみた鮮鋭感に絞って見れば、「1000万画素+OLPF100%hv」の鮮鋭感が、「250万画素+OLPF無」の鮮鋭感に近いことを示唆する。   The sharpness index of 0.25 at the conventional 100% hv satisfies the energy conservation law because the light ray entering one pixel is blurred to 4 pixels, and it is understandable that it becomes 1/4. In other words, the conventional 100% hv type optical low-pass filter has a sharpness of “10 million pixels + OLPF 100% hv” when compared to the sharpness of the pixel unit, regardless of the resolution of the number of pixels. It suggests that it is close to the sharpness of “pixel + no OLPF”.

一方の複屈折板1枚の構成の100%vは2画素にしか分離していないので、その低下も0.5から始まる。したがって、偽色、偽解像の発生の可能性はともかくとして、0.25と0.5の鮮鋭感の差はすさまじく大きいといえる。   Since 100% v of the configuration of one birefringent plate is separated into only two pixels, the decrease starts from 0.5. Therefore, aside from the possibility of false color and false resolution, the difference in sharpness between 0.25 and 0.5 is tremendous.

もう一つ重要な結論は、複屈折板2枚構成同士のα×100%ddとα×100%hvの同じα値に対する鮮鋭感の差はほとんどないことである。したっがて、hv型では従来1.00〜1.33の範囲でしかとることなかったのに対して、dd型は1.41以上で用いるので、使用開始時点からしてdd型の方が鮮鋭感が高くできることが期待できる。図12は、鮮鋭感指標の代表的な値をまとめた表を示す。   Another important conclusion is that there is almost no difference in sharpness for the same α value of α × 100% dd and α × 100% hv between two birefringent plate configurations. Therefore, the hv type used to be only in the range of 1.00 to 1.33, whereas the dd type is used at 1.41 or higher, so that the dd type can be sharper from the start of use. I can expect. FIG. 12 shows a table summarizing representative values of the sharpness index.

<幾何光学シミュレーション>
画素ピッチ依存性のシミュレーション実験を行なった。光学系は一眼レフカメラにおける交換レンズ群を仮定して行なった。本明細書最後の部分でもう一度触れることにするが、画素ピッチ依存性に関して一眼レフレンズ特有の課題を洗い出しながら議論を進めることにする。光学ローパスフィルタの強度を可変にすることが可能であるか否かを調べ、そのときの最適強度を決めるためには、デモザイキング画像処理と合わせて色モアレ・偽解像を完全に消滅させることができる境界点を探索することができればよい。そして、その点が最適な光学ローパスフィルタ強度の十分条件を与えることになる。
<Geometric optics simulation>
A simulation experiment of pixel pitch dependence was conducted. The optical system was assumed assuming an interchangeable lens group in a single-lens reflex camera. As we will touch on again in the last part of this specification, we will proceed with the discussion while identifying the problems peculiar to single-lens reflex lenses regarding the pixel pitch dependency. In order to investigate whether or not the intensity of the optical low-pass filter can be made variable, and to determine the optimum intensity at that time, it is necessary to completely eliminate the color moire and false resolution together with the demosaicing image processing. It suffices if a boundary point that can be detected is searched. This point provides a sufficient condition for the optimum optical low-pass filter strength.

そのとき一眼レフ交換レンズ群の中で最もMTF性能が高いと思われるレンズでシミュレーションすれば、他のレンズで色モアレ・偽解像が発生する心配はない。したがって、今回通常35×24mmのフィルムサイズ、ないしは23.4×16.7mmのAPS-Cサイズ向けに設計される交換レンズ群の中で十分高い解像性能を有するレンズのポイント・スプレッド関数(PSF)を幾何光学的な光線追跡で、レンズの各使用条件での収差シミュレーションをし、行列形式で求める。   At that time, if simulation is performed with a lens that seems to have the highest MTF performance in the single-lens reflex interchangeable lens group, there is no concern that color moiré and false resolution will occur in other lenses. Therefore, this time, the point spread function (PSF) of a lens with sufficiently high resolution among the interchangeable lens groups designed for 35 × 24 mm film size or 23.4 × 16.7 mm APS-C size is used. With optical ray tracing, aberration simulations are performed for each use condition of the lens and obtained in matrix form.

一般に、一眼レフ用交換レンズは絞り値がF8程度で幾何光学的な収差が最も少なくMTFが高くなるように設計されていることが多い。したがって、用意したレンズ使用条件は、絞り値に関して幾何光学的な収差性能が高いF8と幾何光学的な収差性能が低い開放端のF2.8の2ヶ所である。   In general, interchangeable lenses for single-lens reflex cameras are often designed so that the aperture value is about F8, the geometrical optical aberration is the smallest, and the MTF is high. Therefore, the prepared lens use conditions are F8 where the geometric optical aberration performance is high with respect to the aperture value and the open end F2.8 where the geometric optical aberration performance is low.

また、像高に関しても、幾何光学的なMTF性能は、中心が最も高く周辺に行くほど悪いので、一眼レフに使われる撮像素子は、上述のフィルムサイズ、APS-Cサイズの他に18x13.5mmの4/3型もあることを想定して、像高y=0mm,5mm,10mm,15mmのPSFを用意した。更に、ピント精度は常に完璧とは限らず、被写体距離によっても光軸上の合焦ずれが生じるので合焦位置z=0μmの他にz=±100μmずれた場合のPSFを用意した。z=±100μmというと、中望遠程度の焦点距離で数メートル離れた被写体を撮影したとき、前後10cm程度のピントずれに相当する。すなわち、顔を撮影して鼻頭にピントが合ったとき肩や耳の位置での被写体ぼけ程度に相当する。   Also, regarding the image height, the geometric optical MTF performance is the highest at the center and worse as it goes to the periphery, so the image sensor used for SLR is 18x13.5mm in addition to the above film size and APS-C size Assuming that there is also a 4/3 type, PSFs with image heights y = 0mm, 5mm, 10mm and 15mm were prepared. Furthermore, the focus accuracy is not always perfect, and a focus shift on the optical axis also occurs depending on the subject distance. Therefore, in addition to the focus position z = 0 μm, a PSF with z = ± 100 μm is prepared. When z = ± 100 μm, when shooting a subject several meters away with a focal length of about medium telephoto, it corresponds to a defocus of about 10 cm in the front-rear direction. That is, it corresponds to the degree of blurring of the subject at the position of the shoulder or ear when the face is photographed and the nasal head is in focus.

実際のシミュレーションは、原画像(サーキュラー・ゾーン・プレートや無収差を仮定できる自然画像、あるいはジーメンススター・チャート)に対して想定する画素ピッチ広がり幅のPSFでぼかした後、最適化条件を定めるのに必要な各種の光学ローパスフィルタで更にぼかし、カラーフィルタ配列でサンプリングし、デモザイキング処理を行なう。   In the actual simulation, the optimization conditions are determined after blurring with the PSF of the pixel pitch spread width assumed for the original image (circular zone plate, natural image that can assume no aberration, or Siemens Star chart). The image is further blurred by various optical low-pass filters necessary for sampling, sampled by a color filter array, and subjected to demosaicing processing.

像高依存性やデフォーカス依存性を調べるときは、MTF性能が幾何光学的に最も高いと思われる絞り値F8、像高0mm、ピント位置z=0μmに対して、1つだけ条件を変えたPSFによって光学ローパスフィルタを弱めても偽色・偽解像の発生を抑えることができる点が存在するか、またその点はどの程度なのかを見ることによって、その変数に対する変化率情報が得られる。この変化率情報は最も厳しい条件の場合でみているので、他の変数と同時に変化したもっと緩い条件では、それぞれの変化率情報を合成した以上にボケると考えられ、最低限の変化率情報を保証しているといえる。   When examining the image height dependency and defocus dependency, only one condition was changed for the aperture value F8, the image height 0 mm, and the focus position z = 0 μm, which are considered to have the highest MTF performance geometrically. By seeing if there is a point that can suppress the occurrence of false color and false resolution even if the optical low-pass filter is weakened by PSF, and how much that point is, the rate of change information for that variable can be obtained . This rate-of-change information is seen under the most severe conditions, so in the more loose conditions that changed at the same time as other variables, it is considered that the rate-of-change information is more blurred than the combined rate-of-change information. It can be said that it is guaranteed.

前節で用意した3種類の光学ローパスフィルタの各々について、以下の実施の形態に示す高性能なデモザイキング・アルゴリズムを用いて、画素ピッチが細かくなるに従い、光学ローパスフィルタを弱めるのことができるのか否か、またそれはどの程度にまで弱めることができるのかを実験的に調べた。また、その許容度合いがデモザイキング・アルゴリズムによってどの程度異なっているのかも調べた。   For each of the three types of optical low-pass filters prepared in the previous section, whether or not the optical low-pass filter can be weakened as the pixel pitch becomes finer using the high-performance demosaicing algorithm shown in the following embodiment. And to what extent it can be weakened experimentally. We also examined how much the tolerance varies depending on the demosaicing algorithm.

偽色の抑制と鮮鋭感の保持のトレードオフは両変数の積が不等号で表される関係にあるので、主観評価による誤差を減らすために一方の変数をどこに基準を設けて他方を評価するかを決めるのは重要である。今回は偽色抑制に関して無彩色のサーキュラーゾーンプレートのあらゆる周波数でほぼ色モアレ・偽解像フリーの状態を達成する最も弱い光学ローパスフィルタはどの強度αに相当するかを調べる。これにより、そこで実現しうる鮮鋭感の指標を主観的、客観的に比較することによって最終的に判断する。   The trade-off between suppressing false colors and maintaining sharpness is the relationship in which the product of both variables is represented by an inequality sign, so where to set one of the variables and evaluate the other in order to reduce the error due to subjective evaluation It is important to decide. This time, regarding the false color suppression, it is examined which intensity α corresponds to the weakest optical low-pass filter that achieves almost no color moire and false resolution free state at any frequency of the achromatic circular zone plate. Thus, a final judgment is made by subjectively and objectively comparing the sharpness indicators that can be realized there.

鮮鋭感の客観指標は、主観判断と一致しており、同じ2枚構成のhv型とdd型同士ではその鮮鋭感指標が光学ローパスフィルタの強度αの大小関係に置き換えてよいことがこれまでの議論の中で示されている。従って、以下に示す実験結果のグラフは、縦軸を鮮鋭感の指標に読み替えても問題ない。すなわち、スケーリングは変わってもその大小関係は崩れない。   The objective index of sharpness is consistent with subjective judgment, and it is possible to replace the sharpness index with the magnitude relationship of the strength α of the optical low-pass filter in the same two-sheet hv type and dd type. Shown in the discussion. Therefore, in the graph of the experimental results shown below, there is no problem even if the vertical axis is replaced with a sharpness index. In other words, even if scaling changes, the magnitude relationship does not collapse.

図13は、以下の実施の形態で示す異色相関を用いた場合のデモザイキング・アルゴリズムで、絞り値F8とF2.8の2通りについて色モアレ・偽解像フリーになる条件を画素ピッチ依存性に関して示した図である。異色相関を用いたアルゴリズムでは、縦・横ナイキスト周波数の極点付近の偽色・偽解像対策を画像処理に委ねことができるので、縦横2方向型と斜め2方向型の光学ローパスフィルタを比較しながらその条件を示している。   FIG. 13 is a demosaicing algorithm using the different color correlation described in the following embodiment. The conditions for the color moire / false resolution free for the two aperture values F8 and F2.8 are dependent on the pixel pitch. FIG. In the algorithm using different color correlation, it is possible to entrust image processing with false color and false resolution measures near the poles of the vertical and horizontal Nyquist frequencies, so we compared the vertical and horizontal two-way type and diagonal two-way type optical low-pass filters. However, the conditions are shown.

図15は、同じアルゴリズムを用いて縦1枚型の光学ローパスフィルタの場合を示す。1枚型の場合は、6μm/pixel以上ではその影響が及ばない横ナイキスト周波数の極点付近のコントラストが依然高すぎるため、色モアレ・偽解像フリーを実現できないため6μm/pixel以下だけのプロットとなっている。   FIG. 15 shows the case of a single vertical optical low-pass filter using the same algorithm. In the case of a single-sheet type, the contrast near the extreme points of the horizontal Nyquist frequency, which is not affected by 6 μm / pixel or higher, is still too high, so color moiré and false resolution free cannot be realized. It has become.

図14は、従来の同色相関を用いた場合のデモザイキング・アルゴリズムで図13に対応するF値による変化が見られるかどうかを検証したグラフである。図16は、異色相関を用いた実施例のアルゴリズムで像高依存性を調べたグラフである。代表的に像高y=0mmとy=10mmだけを示した。y=5mmはその中間を、y=15mmはy=10mmよりも上側にプロットされることは容易に想像がつく。図17は、同じアルゴリズムでデフォーカス依存性を調べたグラフである。   FIG. 14 is a graph in which it is verified whether a change due to the F value corresponding to FIG. 13 can be seen by the demosaicing algorithm in the case where the conventional same color correlation is used. FIG. 16 is a graph in which the image height dependency is examined by the algorithm of the embodiment using the different color correlation. Typically, only image heights y = 0mm and y = 10mm are shown. It is easy to imagine that y = 5mm is plotted in the middle, and y = 15mm is plotted above y = 10mm. FIG. 17 is a graph in which the defocus dependency is examined by the same algorithm.

これらの図からまず読み取れることは、レンズの幾何光学的なMTF性能は、絞り値に関して設計傾向どおり開放側の方が悪く、F8ではほとんど像高0mmの中央でベスト・フォーカス位置では画素ピッチが小さくなっても落ちないと予測していることである。しかし、この点に関しては次節で述べるレンズの波動光学的なMTF性能を考慮に入れると大きく前提が崩れることに注意して結論を導かねばならない。   From these figures, the first thing that can be read is that the geometric optical MTF performance of the lens is worse on the open side as the design trend with respect to the aperture value, and in F8, the pixel pitch is small at the best focus position at the center of almost 0mm image height. It is predicted that it will not fall. However, in this regard, the conclusion must be drawn with the caution that the premise will be greatly broken if the wave optical MTF performance of the lens described in the next section is taken into consideration.

幾何光学的なシミュレーションから得られた重要な結論は、以下のようなものである。
1)同色相関のみのアルゴリズムでは、方向判定の分解能の低さによって誤って人工的に画像処理で作り出された偽色が発生するため、一度このような偽色が発生すると、この信号成分はF8とF2.8の間に生じる幾何光学的なレンズMTF低下程度のボケ効果では偽色抑制しきれず、光学ローパスフィルタの強度を弱めることができない。すなわち、人工的に作られてしまう偽色は、初めからその周波数成分を死滅させない限り消すことができない。したがって、画像処理能力が低ければ画素ピッチ縮小時のレンズMTF低下による光学ローパスフィルタの代替可能性の恩恵を受けることはできない。ゆえに、低画素サイズ化によるレンズ性能低下の影響を直接受け続けてしまう可能性が高い。
The important conclusions obtained from the geometric optical simulation are as follows.
1) In the algorithm with only the same color correlation, a false color created artificially by image processing is generated by mistake due to the low resolution of direction determination. Once such a false color is generated, this signal component is F8. The blur effect of the geometric optical lens MTF reduction between F2.8 and F2.8 cannot suppress false colors, and the strength of the optical low-pass filter cannot be reduced. That is, the artificially created false color cannot be erased unless the frequency component is killed from the beginning. Therefore, if the image processing capability is low, it is not possible to benefit from the possibility of substituting the optical low-pass filter due to the decrease in the lens MTF when the pixel pitch is reduced. Therefore, there is a high possibility that the lens performance will continue to be directly affected by the reduction in pixel size.

2)異色相関を用いたアルゴリズムでは、斜め2方向型の光学ローパスフィルタの方が縦横2方向型よりも同じ色モアレ・偽解像フリーを実現する条件では高い鮮鋭感を、画素ピッチ依存性に関係なく常に実現できる。   2) In the algorithm using different color correlation, the diagonal two-direction optical low-pass filter is more sharp and pixel pitch dependent on the condition that the same color moiré and false resolution are achieved than the vertical and horizontal two-way type. It can always be realized regardless.

3)幾何光学的な収差によるMTF低下は、異色相関を用いたデモザイキング・アルゴリズムの偽色と実在色の分離能力を左右する要因として、5〜6μm/pixel以下で急激に影響を与え始めるべく、各光学条件に対して立ち上がりを見せている。   3) MTF reduction due to geometrical optical aberrations should begin to have a dramatic impact below 5-6μm / pixel as a factor that affects the ability to separate false and real colors in demosaicing algorithms using different color correlations. , Rising for each optical condition.

4)レンズの実使用条件では、幾何光学的な収差であるF値によるボケ、像高による周辺ボケ、デフォーカスによるピンボケの影響を平均的に受けることになり、5〜6μm/pixel以下ではそれらの影響が現れやすい。   4) Under actual conditions of use of the lens, the blur due to the geometrical aberration F value, the peripheral blur due to the image height, and the defocus due to the defocus are averaged, and those below 5-6μm / pixel The effects of are likely to appear.

なお、4)についてより詳しく見ると、各々のボケの影響はF値、像高、デフォーカスの順に5〜6μm/pixel、4〜6μm/pixel、6〜8μm/pixel以下でボケの影響を受けやすくなるが、そのボケ対策の可能になる点は光学LPFの構成によって異なる。すなわち、従来の常識的範囲である縦横2方向でα=100〜133%という値を超えて、未経験の領域での対策が、以下に示す波動光学の影響も考慮すると、斜め2方向型では少なくとも5μm/pixel以下では色モアレを抑えつつ可能になり、縦1方向型では少なくとも5μm/pixel以下、縦横2方向型では4μm/pixel以下で可能になる。このことが、これらの図及び、後述の図24、図25を合わせて実施の形態の中で示されている。   Looking at 4) in more detail, the effect of each blur is affected by the blur at 5-6 μm / pixel, 4-6 μm / pixel, and 6-8 μm / pixel in the order of F value, image height, and defocus. Although it becomes easy, the point where the blur countermeasure becomes possible differs depending on the configuration of the optical LPF. In other words, exceeding the value of α = 100 to 133% in the vertical and horizontal directions, which is the conventional common sense range, and taking into account the influence of wave optics shown below, the measures in the inexperienced area are at least in the diagonal two-way type. This is possible while suppressing color moire at 5 μm / pixel or less, at least 5 μm / pixel or less for the vertical one-way type, and 4 μm / pixel or less for the vertical / horizontal two-way type. This is shown in the embodiment in combination with these drawings and FIGS. 24 and 25 described later.

<波動光学の考慮>
前節のシミュレーションは、レンズの幾何光学的な収差によるMTF低下しか考えていなかったが、画素ピッチが入射光の波長と同程度のオーダーに近づいてくると、波動光学的な回折の影響を無視することができない。これらの物理的説明はランダウ=リフシッツ理論物理学教程第2巻「場の古典論」の第7章「光の伝播」のセクション58「幾何光学の限界」に解説されており、光学的な結像の鮮鋭さの限度が波長と入射光ビームの開き角度、すなわちF値に依存することが示されている。
<Consideration of wave optics>
The simulation in the previous section only considered MTF reduction due to the geometrical optical aberration of the lens, but when the pixel pitch approaches the same order as the wavelength of the incident light, the influence of wave optical diffraction is ignored. I can't. These physical explanations are explained in Section 58 “Limitations of Geometrical Optics” in Chapter 7 “Light Propagation” in Volume 2 “Classical Field Theory” in the Landau-Lifschitz Theory of Physics Theory. It has been shown that the sharpness limit of the image depends on the wavelength and the opening angle of the incident light beam, ie the F value.

これを波動光学的に無収差系の円形開口をした理想結像光学系で、各F値に対して0本/mmから300本/mmまでの縞パターンを結像したときにどれだけのMTFが残るかを計算したのが、文献「光技術コンタクト誌Vol.41, No.9 (2003),pp.3-12.」に示されている。そのグラフを図18に引用する。図18は、無収差レンズにおける波動光学的MTFを示す図である。   This is an ideal imaging optical system with a wave-optically non-aberration circular aperture, and how much MTF when a fringe pattern from 0 / mm to 300 / mm is imaged for each F value It is shown in the document "Optical Technology Contact Magazine Vol.41, No.9 (2003), pp.3-12." The graph is cited in FIG. FIG. 18 is a diagram showing a wave optical MTF in an aberration-free lens.

250本/mmは撮像面上で1mmの白線と黒線が250本ずつ解像していることを意味するので、そこにナイキスト周波数が存在する撮像素子の画素ピッチは1mm/500pixel=2μm/pixelとなる。図19は、画素ピッチとナイキスト周波数の代表的な値の対応関係を表に示したものである。   250 lines / mm means that 250 lines of 1 mm white and black lines are resolved on the imaging surface, so the pixel pitch of the image sensor where the Nyquist frequency exists is 1 mm / 500 pixel = 2 μm / pixel It becomes. FIG. 19 is a table showing the correspondence between the pixel pitch and typical values of the Nyquist frequency.

実際に撮像素子を介して観測されるのは光のエネルギー(フォトン数)が光電変換されて励起準位にまで励起された電子数である。MTFは、この光の強度、すなわち観測される信号階調値のコントラストと一致する次元で定義されている。図18のMTFを絞り値F8とF2.8に関して、画素ピッチ依存性に関するコントラストの関数を表すものとして描いたのが図20(a)である。また、図13〜図17に示された図との対比をしやすいようにコントラストの逆数で表示したグラフも示す(図20(b))。   What is actually observed through the image sensor is the number of electrons excited to the excitation level by photoelectric conversion of the light energy (number of photons). MTF is defined in a dimension that matches the intensity of this light, that is, the contrast of the observed signal gradation value. FIG. 20A illustrates the MTF of FIG. 18 as a function of contrast relating to the pixel pitch dependency with respect to the aperture values F8 and F2.8. In addition, a graph displayed by the reciprocal of the contrast is also shown to facilitate comparison with the diagrams shown in FIGS. 13 to 17 (FIG. 20B).

コントラストが1/100まで低下すると、0と100の間で振動していた縞模様の画像構造が、50と51の間で振動する縞模様にしか結像されないので、ほとんど分解していないといってよい。   When the contrast is reduced to 1/100, the image structure of the stripe pattern that oscillates between 0 and 100 is imaged only to the stripe pattern that oscillates between 50 and 51. It's okay.

このグラフから読み取れることは、幾何光学的な収差特性が極めてよく設計されていたF8のコントラストが画素ピッチの縮小化に伴って急激に減少し、幾何光学的な収差によるコントラスト低下のF8とF2.8の関係に比べて関係が逆転する(図20(a)と後述の図22(a)を参照)。F8とF2.8のコントラストは、8〜5μm/pixelの区間では漸近的に競争を続けながら同じように落ち込むが、5μm/pixel以下ではF8のコントラストが急速に落ちて解像しないということである。コントラストの数値だけをみてもF8で2μm/pixel以下ではほとんど分解していないといってよい。一方のF2.8では1μm/pixelになるまで波動光学的な観点からは十分なコントラストが残っている。   It can be read from this graph that the contrast of F8, whose geometric optical aberration characteristics are extremely well designed, decreases sharply as the pixel pitch decreases, and the contrast decreases due to geometric optical aberration, F8 and F2. The relationship is reversed compared to the relationship of 8 (see FIG. 20A and FIG. 22A described later). The contrast between F8 and F2.8 falls in the same way as it continues asymptotically in the section of 8-5 μm / pixel, but the contrast of F8 drops rapidly and does not resolve below 5 μm / pixel. . Even if only the contrast value is seen, it can be said that F8 is less decomposed at 2μm / pixel or less. On the other hand, with F2.8, sufficient contrast remains from the viewpoint of wave optics until it reaches 1 μm / pixel.

比較のため、前節の幾何光学シミュレーションで用いたポイント・スプレッド関数によってナイキスト周波数のコントラストがどの程度低下しているのかを調べてみる。実験的には、レンズ光学系を介さずに作成した光学ローパスフィルタに入射する前のサーキュラーゾーンプレート・チャートの信号触れ幅に対し、レンズ光学系のポイント・スプレッド関数でフィルタリングした後の画像でその信号振れ幅がどの程度低下しているかを測定すれば簡単に見積もることができる。その信号振れ幅の観測している様子を、図21(a)に6μm/pixelの場合と、図21(b)に2μm/pixelの場合を例に示す。これらの計測結果を画素ピッチ依存性に関してプロットした図を図22に示す。誤差棒は読み取り誤差が大きい場合に相当する。   For comparison, let us examine how much the Nyquist frequency contrast is reduced by the point spread function used in the geometric optics simulation in the previous section. Experimentally, the signal contact width of the circular zone plate chart before entering the optical low-pass filter created without going through the lens optical system is the image after filtering with the point spread function of the lens optical system. It can be easily estimated by measuring how much the signal amplitude has decreased. The state of observing the signal fluctuation width is shown as an example in the case of 6 μm / pixel in FIG. 21A and in the case of 2 μm / pixel in FIG. FIG. 22 shows a plot of these measurement results with respect to pixel pitch dependency. Error bars correspond to cases where the reading error is large.

これらのグラフから読み取れることは、F8の波動光学的な画素依存性に関するコントラスト低下は、F2.8の幾何光学的な画素依存性に関するコントラスト低下よりも急速に低下する。したがって、幾何光学シミュレーションの図13〜図17のF8に関する結果は、F8,y=0mm,z=0umの基準が大きくずれ、大ざっぱな近似ではF2.8,y=0mm,z=0umより緩い条件になると考えてよく、グラフに示す像高効果やデフォーカス効果による変化幅がその上に追加されると考えて良い。   It can be read from these graphs that the contrast decrease related to the wave-optical pixel dependency of F8 is more rapidly reduced than the contrast decrease related to the geometrical pixel dependency of F2.8. Therefore, the results for F8 in FIGS. 13 to 17 of the geometric optical simulation show that the criteria of F8, y = 0 mm, z = 0 um are greatly deviated, and loose approximation is less than F2.8, y = 0 mm, z = 0 um. It can be considered that the range of change due to the image height effect and defocus effect shown in the graph is added on top of it.

<合成系の推定>
幾何的な収差の影響も含む波動光学的なシミュレーションができれば本当の系を知ることができるのである。しかし、現時点でそのようなデータがなくとも、幾何光学な収差によるコントラストと無収差系の波動光学的なMTFのコントラストの次元が揃っているのであるから、実際に観測される系は近似的にそのコントラストの積であると考えてよい。
<Estimation of synthetic system>
If a wave optical simulation including the influence of geometric aberration can be performed, the true system can be known. However, even if there is no such data at present, the dimensions of the geometrical aberration and the wave-optic MTF contrast of the aberration-free system are aligned. You can think of it as the product of the contrast.

幾何光学的な収差を波動光学的に考えるときに位相による干渉項が出てこない限り、この単純積の第一近似は正しく、全体の傾向をつかむ議論には十分耐えうる。前述した図20は、無収差系の波動光学的なMTFのコントラストを示す図である。図22は、幾何光学な収差によるコントラストを示す図である。図23は、これらの合成系のコントラストをプロットした様子を示す図である。図22(b)、図23(b)には、図20(b)と同様にコントラストの逆数で表示したグラフも示されている。また、図20、図22、図23のコントラストの値を表にまとめると図24、図25に示す通りである。図24は、F8の場合のコントラストの表であり、図25は、F2.8の場合のコントラストの表である。   Unless an interference term due to phase appears when considering geometric optical aberrations in terms of wave optics, the first approximation of this simple product is correct and can withstand discussions that grasp the overall trend. FIG. 20 described above is a diagram showing the contrast of a wave-optic MTF of an aberration-free system. FIG. 22 is a diagram showing the contrast due to geometric optical aberration. FIG. 23 is a diagram illustrating a state in which the contrast of these synthesis systems is plotted. FIG. 22B and FIG. 23B also show graphs displayed by the reciprocal of contrast as in FIG. 20B. Further, the contrast values in FIGS. 20, 22, and 23 are summarized in tables as shown in FIGS. FIG. 24 is a contrast table for F8, and FIG. 25 is a contrast table for F2.8.

これらのことから得られる重要な結論は、図23のグラフから明らかなように実在系の幾何収差と波動光学的な回折の両者の合成コントラストは、F8よりF2.8の方が8μm/pixel以下の画素ピッチで上回っているということである。また、12μm/pixelも近似的に一致するとみてもよい。   The important conclusions obtained from these facts are that, as is apparent from the graph of FIG. 23, the combined contrast of both real geometric aberration and wave optical diffraction is less than 8 μm / pixel for F2.8 than for F8. That is, it exceeds the pixel pitch. Also, 12 μm / pixel may be considered to be approximately the same.

したがって、実際に画像を用いて偽色・偽解像を評価した幾何光学シミュレーションにおいて、F8の結果は6μm/pixel程度以下ではほとんど信用できず、F2.8で扱ったコントラストの低下を評価していれば、これ以上超えることはないもっとも厳しい条件の高いコントラストを扱っていることになる。よって、F2.8の像高y=0mm、ベストピント位置z=0μmの条件で定めた色モアレ・偽解像フリーになる光学ローパスフィルタの強度は、他のあらゆるレンズ使用条件に対して十分条件を与えているといえる。   Therefore, in the geometric optical simulation that actually evaluated the false color and false resolution using the image, the F8 result is almost unreliable below 6 μm / pixel, and the decrease in contrast handled in F2.8 is evaluated. If so, you are dealing with high contrast under the toughest conditions that will never be exceeded. Therefore, the strength of the optical low-pass filter that is free of color moire and false resolution determined under the conditions of F2.8 image height y = 0mm and best focus position z = 0μm is sufficient for all other lens usage conditions. It can be said that.

このように、一眼レフレンズ群では5〜6μm/pixel以下の画素ピッチになってくると、F2.8の開放側では幾何光学的な収差によりMTFが落ち、F8では波動光学的な回折現象によりMTFが落ち、その上に更に像高効果やピント位置精度による効果が重なって、どこにもピントが合わなくなってくることが予見される。   In this way, when the pixel pitch is 5 to 6 μm / pixel or less in the single lens reflex lens group, the MTF drops due to geometric optical aberrations on the open side of F2.8, and in F8 the MTF due to wave optical diffraction phenomenon It is predicted that the image height effect and the effect of the focus position accuracy will overlap with each other, and it will be impossible to focus anywhere.

これは、今日6μm/pixel台のカメラが主流となる中で、依然として偽色、色モアレ、偽解像の問題は存在し続けるものの、ピント感が出にくいという我々が新たに認識を持ち始めた新たな課題とも整合する。いいかえると、5〜6um/pixel以下では急激に光学系MTF低下の影響が現れ始め、従来のレンズを使用し続ける限り、それを救済する手法としては唯一、いままで敢えて入れていた光学ローパスフィルタの強度を見直すしか、新たに生じ始めたピント感がでないという課題に対する解決手段がない。そのためには、本当にそれが実現できる環境として、偽色・偽解像が出ないように画像処理側で強力に支援して、光学ローパスフィルタの設計に大きな自由度を与えられるようにしてやる必要がある。   This is because today's 6μm / pixel cameras have become mainstream, but we continue to have a new recognition that it is difficult to focus even though the problems of false color, color moire and false resolution continue to exist. It is consistent with new issues. In other words, at 5-6um / pixel or less, the effect of optical system MTF decline starts to appear suddenly. There is no solution to the problem that the focus that has just started to occur cannot be solved only by reviewing the strength. To that end, as an environment where this can be realized, it is necessary to provide strong support on the image processing side so that false colors and false resolutions do not occur, and to give a great degree of freedom to the design of optical low-pass filters. is there.

−第1の実施の形態−
図26は、第1の実施の形態のカメラシステム100の構成を示す図である。カメラシステム100は、デジタルカメラ(電子カメラ)1とパーソナルコンピュータ10とから構成される。デジタルカメラ1は、撮影レンズ2、光学ローパスフィルタ3、撮像素子4、画像処理部5、制御部6などから構成される。
-First embodiment-
FIG. 26 is a diagram illustrating a configuration of the camera system 100 according to the first embodiment. The camera system 100 includes a digital camera (electronic camera) 1 and a personal computer 10. The digital camera 1 includes a photographic lens 2, an optical low-pass filter 3, an image sensor 4, an image processing unit 5, a control unit 6, and the like.

デジタルカメラ1は一眼レフデジタルカメラであり、撮影レンズ2は交換可能なレンズである。撮影レンズ2は、レンズマウント部(不図示)を介してデジタルカメラ1に装着される。デジタルカメラ1が装着可能な交換レンズ群は、従来のフィルムカメラと本デジタルカメラとの間で共通に使用可能な交換レンズ群である。撮影レンズ2は絞り7を有し、本実施の形態では、最大の開放絞り値(少なくともF2.8以下)からF8以上に至るまでの絞り制御が可能な絞り機構を備える。また、撮影レンズ2は以下の撮像素子4のサイズに合わせて広角〜標準〜望遠までの画角を撮影できるように、12mm〜50mm〜200mmの範囲の焦点距離fの値を少なくとも取るものとする。   The digital camera 1 is a single-lens reflex digital camera, and the photographing lens 2 is a replaceable lens. The photographing lens 2 is attached to the digital camera 1 via a lens mount (not shown). The interchangeable lens group to which the digital camera 1 can be attached is an interchangeable lens group that can be used in common between the conventional film camera and the present digital camera. The photographic lens 2 has an aperture 7, and in this embodiment, includes an aperture mechanism capable of controlling the aperture from the maximum open aperture value (at least F2.8 or less) to F8 or more. The taking lens 2 takes at least a value of a focal length f in a range of 12 mm to 50 mm to 200 mm so that a field angle from wide angle to standard to telephoto can be taken in accordance with the size of the imaging device 4 described below. .

撮像素子4は、ベイア配列のRGBカラーフィルタが配置された単板カラー撮像素子であり、CCDなどから構成される。図32はカラーフィルタのベイア配列を示す図である。ベイア配列は、図に示す通り、G成分が市松状に半分の密度を占め、他のR成分B成分が残りの画素を均等に配分し合う密度で配置されている。撮像素子4のサイズは、前述した35mmx24mm、23.4mmx16.7mm、18mmx13.5mmのいずれかの大きさ、あるいはそれらの間の何れかの大きさとする。   The image pickup device 4 is a single-plate color image pickup device in which RGB color filters in a Bayer array are arranged, and is composed of a CCD or the like. FIG. 32 is a diagram showing a Bayer array of color filters. In the Bayer array, as shown in the figure, the G component occupies half the density in a checkered pattern, and the other R component and B component are arranged at a density that evenly distributes the remaining pixels. The size of the image sensor 4 is any one of the above-described 35 mm × 24 mm, 23.4 mm × 16.7 mm, and 18 mm × 13.5 mm, or any size therebetween.

画像処理部5は、撮像素子4から出力され、各種のアナログ処理をされ、A/D変換された後のRGB表色系の画像データに対してホワイトバランス調整や圧縮処理などの各種の画像処理を行う。RGB表色系のG成分は輝度を担う色成分でもある。画像処理部5はASICで構成される。制御部6は、デジタルカメラ1全体の制御を行ったり、画像処理部5での画像処理後の画像データを、外部装置に出力したり、メモリカード20などの記録媒体に記録したりする。   The image processing unit 5 outputs various types of image processing such as white balance adjustment and compression processing on the RGB color system image data output from the image sensor 4, subjected to various analog processes, and subjected to A / D conversion. I do. The G component of the RGB color system is also a color component responsible for luminance. The image processing unit 5 is composed of an ASIC. The control unit 6 controls the entire digital camera 1, outputs the image data after the image processing by the image processing unit 5 to an external device, and records it on a recording medium such as a memory card 20.

パーソナルコンピュータ10は、デジタルカメラ1で撮像され一定の画像処理が行われた画像データを、ケーブル30、あるいは、メモリカード20を介して入力する。なお、ケーブル30の代わりに無線通信であってもよい。パーソナルコンピュータ10は、入力した画像データに対して、後述する補間処理を行いカラー画像データを生成する。従って、デジタルカメラ1から出力される画像データは、各画素にはRGB表色系のRGBのいずれかの色成分のデータしか有しないデータである。また、デジタルカメラ1から出力される画像データは、静止画の画像データである。ただし、動画の場合であっても、動画の各フレームについて静止画と同様な処理を行ってもよい。   The personal computer 10 inputs image data captured by the digital camera 1 and subjected to certain image processing via the cable 30 or the memory card 20. Note that wireless communication may be used instead of the cable 30. The personal computer 10 performs interpolation processing described later on the input image data to generate color image data. Accordingly, the image data output from the digital camera 1 is data in which each pixel has only RGB color component data in the RGB color system. The image data output from the digital camera 1 is still image data. However, even in the case of a moving image, processing similar to that for a still image may be performed for each frame of the moving image.

<光学ローパスフィルタ構成>
本第1の実施の形態では、最初に候補に挙げた3タイプの光学ローパスフィルタの中で、対称性をもつ2枚構成型の内、斜め2方向型を採用する。既に幾何光学シミュレーションの節で調べたように、図13、図16、図17の各レンズ使用条件で、縦横2方向型と斜め2方向型の光学ローパスフィルタのどちらの方が弱い強度で色モアレ・偽解像フリーにできるかをみた結果は、全ての条件で斜め型の方が有利であった。従って、第1の実施の形態では画素ピッチ依存性に対して斜め2方向型で採るべき強度の例を示す。
<Optical low-pass filter configuration>
In the first embodiment, among the three types of optical low-pass filters first listed as candidates, a two-way configuration type having symmetry is adopted as an oblique two-direction type. As already examined in the section on geometric optical simulation, the color moiré pattern is weaker in either the vertical / horizontal two-way type or the diagonal two-way type optical low-pass filter under the lens use conditions shown in FIGS. 13, 16, and 17.・ As for the result of seeing whether it is possible to make false resolution free, the oblique type was more advantageous in all conditions. Therefore, in the first embodiment, an example of the intensity to be taken in the oblique two-way type with respect to the pixel pitch dependency is shown.

以下に示す異色相関を用いた補間アルゴリズムを用いれば、図13のF2.8のシミュレーションが必要な光学ローパスフィルタ強度の十分条件を与えるので、最適構成は図27に示すようになる。   If an interpolation algorithm using a different color correlation described below is used, sufficient conditions for the optical low-pass filter intensity that requires the simulation of F2.8 in FIG. 13 are given, and the optimum configuration is as shown in FIG.

第1の実施の形態の光学ローパスフィルタは、撮像素子の画素が互いに直交するx,yの2方向に画素間隔(ピッチ)(a,b)で格子状に配列されているとすると、(x,y)座標軸に対して斜め2方向((1/2)a,(1/2)b)×(√2/α)及び((1/2)a,-(1/2)b)×(√2/α)への光線分離を行なって入射光の空間的な周波数特性を変調している。   If the optical low-pass filter of the first embodiment is arranged in a grid pattern with pixel intervals (pitch) (a, b) in two directions x and y orthogonal to each other, , y) Two directions ((1/2) a, (1/2) b) × (√2 / α) and ((1/2) a,-(1/2) b) × The spatial frequency characteristics of the incident light are modulated by separating light into (√2 / α).

図27(a)は、上記のαについて、画素ピッチが約6μm/pixel以上のときα=√2=1.41に設定し、画素ピッチが約5μm/pixelのときα≧1.5に設定し、画素ピッチが約4μm/pixelのときα≧1.90に設定し、画素ピッチが約3μm/pixelのときα≧2√2=2.83に設定することを示している。このことは、x,yの2方向の画素ピッチが6μm/pixel以下の場合に、α≧√2に設定することを意味し、画素ピッチが6μm/pixelより小さくなるに従って、αの値を単調増加させている。言い換えると、αは画素ピッチに反比例する関数であり、所定画素ピッチ(この場合3μm/pixel)以下ではα=∞に徐々に漸近し、所定画素ピッチ(この場合6μm/pixel)以上ではα=α(const)に漸近する特性を持った関数であると言える。 FIG. 27A shows that α is set to α = √2 = 1.41 when the pixel pitch is about 6 μm / pixel or more, and α ≧ 1.5 when the pixel pitch is about 5 μm / pixel. It is shown that α ≧ 1.90 is set when is about 4 μm / pixel, and α ≧ 2√2 = 2.83 is set when the pixel pitch is about 3 μm / pixel. This means that α ≧ √2 is set when the pixel pitch in the two directions x and y is 6 μm / pixel or less. As the pixel pitch becomes smaller than 6 μm / pixel, the value of α is monotonically adjusted. Increasing. In other words, α is a function inversely proportional to the pixel pitch, and gradually approaches α = ∞ at a predetermined pixel pitch (in this case 3 μm / pixel) or less, and α = α at a predetermined pixel pitch (in this case 6 μm / pixel) or higher. It can be said that it is a function having a characteristic asymptotic to 0 (const).

なお、図27(a)では色モアレ・偽解像フリーになるOLPF構成の十分条件により下限値を規定した。しかし、最適なαの設定範囲としては、該当画素ピッチより1μm/pixelだけ小さい側で与えている下限値を上限値として設定すれば、色モアレ・偽解像フリーに近いレベルを保ちつつ、鮮鋭感回復を実現することができるようになる。これらのことを考慮した最適なaとαの関係を図27(b)のグラフに示す。図27(b)のグラフのハッチングのかかった範囲が、2.5μm≦a≦5.0μmにおいて、最適なaとαの範囲である。   In FIG. 27A, the lower limit value is defined by the sufficient condition of the OLPF configuration in which color moire and false resolution are free. However, the optimum setting range for α is to set the lower limit given by 1 μm / pixel smaller than the corresponding pixel pitch as the upper limit. A feeling of recovery can be realized. The optimum relationship between a and α in consideration of these matters is shown in the graph of FIG. The hatched range in the graph of FIG. 27B is the optimum range of a and α when 2.5 μm ≦ a ≦ 5.0 μm.

図27(b)の左側のグラフ(黒点)は、図27(a)の3μm、4μm、5μm、6μmのαの値の黒点を曲線でプロットしたものである。2.5μmの黒点は、2.5μmより小さい範囲では、ローパスフィルタは不要であることと、350%を越える範囲では、図11よりローパスフィルタが無い状態に十分近いレベルにあるので、αの上限を350%とした。また、2μm上の直線は2μmで∞となる漸近線である。図27(b)の右側のグラフ(×点)は、左側のグラフを1μm右へシフトしたグラフである。   The graph (black dots) on the left side of FIG. 27B is a plot of the black dots having the values of α of 3 μm, 4 μm, 5 μm, and 6 μm in FIG. The black spot of 2.5 μm is not necessary for the low-pass filter in the range smaller than 2.5 μm, and is in a level sufficiently close to the state without the low-pass filter in FIG. 11 in the range exceeding 350%. %. The straight line above 2 μm is an asymptotic line that becomes ∞ at 2 μm. The graph on the right side (x point) in FIG. 27B is a graph obtained by shifting the left graph to the right by 1 μm.

上記により、撮像素子4の画素間隔(a,b)が共に2.5〜5μmの範囲にあるとき、光学ローパスフィルタの死滅周波数帯域の位置を、撮像素子4のナイキスト周波数に対して1.5≦α≦3.5倍の範囲に設定することが最適であることが示されている。   As described above, when both the pixel intervals (a, b) of the image sensor 4 are in the range of 2.5 to 5 μm, the position of the kill frequency band of the optical low-pass filter is set to 1.5 with respect to the Nyquist frequency of the image sensor 4. It is shown that it is optimal to set it in a range of ≦ α ≦ 3.5 times.

また、撮影レンズ2がとりうる最大の開放絞り値からF8以上に至るまでの絞り制御が可能な場合に、撮像素子4の画素間隔の値が約2〜4μm/pixelと6μm/pixel以上に該当する場合に、上記の特性を有する光学ローパスフィルタを使用するのが好ましい。さらに、画素間隔の値が2μm/pixel以下では光学ローパスフィルタを使用しないのが好ましい。すなわち、光学ローパスフィルタはデジタルカメラ1に選択的に設けるようにし、画素間隔の値が2μm/pixel以下では設けないようにする。   In addition, when the aperture control from the maximum open aperture value that can be taken by the taking lens 2 to F8 or more is possible, the pixel interval value of the image sensor 4 corresponds to about 2 to 4 μm / pixel and 6 μm / pixel or more. In this case, it is preferable to use an optical low-pass filter having the above characteristics. Further, it is preferable not to use the optical low-pass filter when the pixel interval value is 2 μm / pixel or less. That is, the optical low-pass filter is selectively provided in the digital camera 1 and is not provided when the pixel interval value is 2 μm / pixel or less.

幾何光学的シミュレーションから得た画質に関する知見を述べると、1μm/pixelでは像高y=0mm でベストピントz=0μmであっても軸上色収差等の収差がひどく目立つことである。そして、光学ローパスフィルタを強く入れれば入れるほどその収差成分が複数画素にまたがって広がってパープル・フリンジやパープルゴースト、あるいはレンズ自体のゴーストをひどく増幅する弊害だけを引き起こすということである。したがって、幾何光学的な収差の観点からも細かい画素ピッチでは、光学ローパスフィルタを無しにするのは絶対に必要な条件となる。   The knowledge about the image quality obtained from the geometric optical simulation is that aberrations such as axial chromatic aberration are extremely conspicuous even at an image height y = 0 mm and best focus z = 0 μm at 1 μm / pixel. The stronger the optical low-pass filter is inserted, the more the aberration component spreads over a plurality of pixels, causing only a harmful effect of severely amplifying purple fringes, purple ghosts, or ghosts of the lens itself. Therefore, it is absolutely necessary to eliminate the optical low-pass filter at a fine pixel pitch from the viewpoint of geometric optical aberration.

なお、光学ローパスフィルタの設定に自由度を与えられるようになるための前提条件として、撮像素子のカラーフィルタ配列はベイヤ配列のように、少なくとも輝度を担う成分(G成分)が均等に空間的に対称に配置された場合を念頭に置いていることを指摘しておく。   In addition, as a precondition for providing a degree of freedom in setting the optical low-pass filter, the color filter array of the image sensor is at least spatially responsible for the luminance component (G component) as in the Bayer array. It should be pointed out that the case of symmetrical arrangement is kept in mind.

<補間アルゴリズム>
前述したように、撮像素子4はベイア配列のカラーフィルターを有する単板撮像素子であるので、撮像素子4から出力される各画素の出力には1つの色成分の色情報しか有しない。従って、各画素に対応してR,G,Bの各色成分を有するようにするために以下に示す補間処理が行われる。この補間処理は、パーソナルコンピュータ10で行われる。
<Interpolation algorithm>
As described above, since the image sensor 4 is a single-plate image sensor having a Bayer array color filter, the output of each pixel output from the image sensor 4 has only one color component color information. Accordingly, in order to have each color component of R, G, B corresponding to each pixel, the following interpolation processing is performed. This interpolation process is performed by the personal computer 10.

[1]CrCb面生成
1.縦横方向判定1
R,B位置について以下の計算を行う。
1)類似度の算出
a)異色間類似度
GR(GB)間類似度成分
Cv0[i,j]=(|G[i,j-1]-Z[i,j]|+|G[i,j+1]-Z[i,j]|)/2
Ch0[i,j]=(|G[i-1,j]-Z[i,j]|+|G[i+1,j]-Z[i,j]|)/2
b)類似度の周辺加算
この処理は、周辺画素との連続性を考慮することにより類似度の精度を上げるためのもので、簡略性を優先する場合は省いても良い。
Cv[i,j]=(4*Cv0[i,j]
+2*(Cv0[i-1,j-1]+Cv0[i+1,j-1]+Cv0[i-1,j+1]+Cv0[i+1,j+1])
+Cv0[i,j-2]+Cv0[i,j+2]+Cv0[i-2,j]+Cv0[i+2,j])/16
Ch[i,j]=(4*Ch0[i,j]
+2*(Ch0[i-1,j-1]+Ch0[i+1,j-1]+Ch0[i-1,j+1]+Ch0[i+1,j+1])
+Ch0[i,j-2]+Ch0[i,j+2]+Ch0[i-2,j]+Ch0[i+2,j])/16
[1] CrCb surface generation Vertical / horizontal direction judgment 1
The following calculation is performed for the R and B positions.
1) Calculation of similarity
a) Similarity between different colors
GR (GB) similarity component
Cv0 [i, j] = (| G [i, j-1] -Z [i, j] | + | G [i, j + 1] -Z [i, j] |) / 2
Ch0 [i, j] = (| G [i-1, j] -Z [i, j] | + | G [i + 1, j] -Z [i, j] |) / 2
b) Peripheral Addition of Similarity This process is for improving the accuracy of similarity by considering continuity with surrounding pixels, and may be omitted when priority is given to simplicity.
Cv [i, j] = (4 * Cv0 [i, j]
+ 2 * (Cv0 [i-1, j-1] + Cv0 [i + 1, j-1] + Cv0 [i-1, j + 1] + Cv0 [i + 1, j + 1])
+ Cv0 [i, j-2] + Cv0 [i, j + 2] + Cv0 [i-2, j] + Cv0 [i + 2, j]) / 16
Ch [i, j] = (4 * Ch0 [i, j]
+ 2 * (Ch0 [i-1, j-1] + Ch0 [i + 1, j-1] + Ch0 [i-1, j + 1] + Ch0 [i + 1, j + 1])
+ Ch0 [i, j-2] + Ch0 [i, j + 2] + Ch0 [i-2, j] + Ch0 [i + 2, j]) / 16

2)類似性判定
if |Cv[i,j]-Ch[i,j]|=<Th0 HVd[i,j]=0 縦横類似性不明
else if Cv[i,j]<Ch[i,j] HVd[i,j]=1 縦類似
else HVd[i,j]= -1 横類似
閾値Th0は256階調のとき10前後の値をとり、画像のノイズが多いときは高めに設定する。
2) Similarity judgment
if | Cv [i, j] -Ch [i, j] | = <Th0 HVd [i, j] = 0 Vertical / horizontal similarity unknown
else if Cv [i, j] <Ch [i, j] HVd [i, j] = 1 Vertical similarity
else HVd [i, j] = -1 Horizontal similarity The threshold Th0 takes a value of around 10 for 256 gradations, and is set higher when the image is noisy.

2.色差生成
1)R位置Cr面生成
if [i,j] is a R site in a Bayer plane{
if HVd[i, j]=1 Cr[i,j]=R[i,j]
-{(G[i,j-1]+G[i,j+1])/2
+(2*R[i,j]-R[i,j-2]-R[i,j+2])/4}
else if HVd[i, j]=-1 Cr[i,j]=R[i,j]
-{(G[i-1,j]+G[i+1,j])/2
+(2*R[i,j]-R[i-2,j]-R[i+2,j])/4}
else Cr[i,j]=R[i,j]
-{(G[i,j-1]+G[i,j+1]+G[i-1,j]+G[i+1,j])/4
+(4*R[i,j]-R[i,j-2]-R[i,j+2]-R[i-2,j]-R[i+2,j])/8}
}
2. Color difference generation 1) R position Cr surface generation
if [i, j] is a R site in a Bayer plane {
if HVd [i, j] = 1 Cr [i, j] = R [i, j]
-{(G [i, j-1] + G [i, j + 1]) / 2
+ (2 * R [i, j] -R [i, j-2] -R [i, j + 2]) / 4}
else if HVd [i, j] =-1 Cr [i, j] = R [i, j]
-{(G [i-1, j] + G [i + 1, j]) / 2
+ (2 * R [i, j] -R [i-2, j] -R [i + 2, j]) / 4}
else Cr [i, j] = R [i, j]
-{(G [i, j-1] + G [i, j + 1] + G [i-1, j] + G [i + 1, j]) / 4
+ (4 * R [i, j] -R [i, j-2] -R [i, j + 2] -R [i-2, j] -R [i + 2, j]) / 8}
}

または、以下の式により算出する。
if [i,j] is a R site in a Bayer plane{
if HVd[i,j]=1 Cr[i,j]=R[i,j]
-{(G[i,j-1]+G[i,j+1])/2
+(2*G[i-1, j]-G[i-1, j-2]-G[i-1, j+2]
+2*G[i+1, j]-G[i+1, j-2]-G[i+1, j+2])/8}
else if HVd[i,j]=-1 Cr[i,j]=R[i,j]
-{(G[i-1,j]+G[i+1,j])/2
+(2*G[i, j-1]-G[i-2, j-1]-G[i+2, j-1]
+2*G[i, j+1]-G[i-2, j+1]-G[i+2, j+1])/8}
else Cr[i,j]=R[i,j]
-{(G[i,j-1]+G[i,j+1]+G[i-1,j]+G[i+1,j])/4
+(2*G[i-1, j]-G[i-1, j-2]-G[i-1, j+2]
+2*G[i+1, j]-G[i+1, j-2]-G[i+1, j+2]
+2*G[i, j-1]-G[i-2, j-1]-G[i+2, j-1]
+2*G[i, j+1]-G[i-2, j+1]-G[i+2, j+1])/16}
}
ここで、異色間類似度のみで類似性判定した方向指標HVd[i,j]を用いたのは、ナイキスト周波数近傍の偽色発生を大幅に抑制できるからである。
Or it calculates with the following formula | equation.
if [i, j] is a R site in a Bayer plane {
if HVd [i, j] = 1 Cr [i, j] = R [i, j]
-{(G [i, j-1] + G [i, j + 1]) / 2
+ (2 * G [i-1, j] -G [i-1, j-2] -G [i-1, j + 2]
+ 2 * G [i + 1, j] -G [i + 1, j-2] -G [i + 1, j + 2]) / 8}
else if HVd [i, j] =-1 Cr [i, j] = R [i, j]
-{(G [i-1, j] + G [i + 1, j]) / 2
+ (2 * G [i, j-1] -G [i-2, j-1] -G [i + 2, j-1]
+ 2 * G [i, j + 1] -G [i-2, j + 1] -G [i + 2, j + 1]) / 8}
else Cr [i, j] = R [i, j]
-{(G [i, j-1] + G [i, j + 1] + G [i-1, j] + G [i + 1, j]) / 4
+ (2 * G [i-1, j] -G [i-1, j-2] -G [i-1, j + 2]
+ 2 * G [i + 1, j] -G [i + 1, j-2] -G [i + 1, j + 2]
+ 2 * G [i, j-1] -G [i-2, j-1] -G [i + 2, j-1]
+ 2 * G [i, j + 1] -G [i-2, j + 1] -G [i + 2, j + 1]) / 16}
}
Here, the reason why the direction index HVd [i, j], in which the similarity is determined only by the similarity between different colors, is used because the generation of the false color near the Nyquist frequency can be significantly suppressed.

2)Cr面補間
B sites
Cr[i,j]=(Cr[i-1,j-1]+Cr[i-1,j+1]+Cr[i+1,j-1]+Cr[i+1,j+1])/4
G sites (same lines with R rows)
Cr[i,j]=(Cr[i-1,j]+Cr[i+1,j])/2
G sites (same lines with B rows)
Cr[i,j]=(Cr[i,j-1]+Cr[i,j+1])/2
2) Cr surface interpolation
B sites
Cr [i, j] = (Cr [i-1, j-1] + Cr [i-1, j + 1] + Cr [i + 1, j-1] + Cr [i + 1, j + 1 ])/Four
G sites (same lines with R rows)
Cr [i, j] = (Cr [i-1, j] + Cr [i + 1, j]) / 2
G sites (same lines with B rows)
Cr [i, j] = (Cr [i, j-1] + Cr [i, j + 1]) / 2

Cb面についても同様。   The same applies to the Cb surface.

3.仮色差補正1
2.で求まった色差面には偽色がふんだんに乗っており、色モアレや高ISO感度における色斑ノイズの要因となっている。これらは色構造と区別して適応的に除去されるべきであるが、次節で述べる色勾配を指標として区別するとき偽色の境界が色境界と誤認定されないように予め仮の除去をしておく。以下に方法を2つ紹介するが、この方法に限らない。
方法1(ローパス処理)
5x5サイズの分離型フィルタの例を示す。
Horizontal lowpass filtering
tmp_Cr[i,j]={70*Cr[i,j]+56*(Cr[i-1,j]+Cr[i+1,j])
+28*(Cr[i-2,j]+Cr[i+2,j])+8*(Cr[i-3,j]+Cr[i+3,j])
+(Cr[i-4,j]+Cr[i+4,j])}/256
Vertical lowpass filtering
TCr1[i,j]={70* tmp_Cr[i,j]+56*(tmp_Cr[i,j-1]+tmp_Cr[i,j+1])
+28*(tmp_Cr[i,j-2]+tmp_Cr[i,j+2])
+8*(tmp_Cr[i,j-3]+tmp_Cr[i,j+3])
+tmp_Cr[i,j-4]+tmp_Cr[i,j+4]}/256
3. Temporary color difference correction 1
2. There are plenty of false colors on the color difference surface obtained in step 1, which causes color moire and color spot noise at high ISO sensitivity. These should be adaptively removed in distinction from the color structure, but provisional removal is performed in advance so that the false color boundary is not misidentified as a color boundary when the color gradient described in the next section is distinguished as an index. . Two methods are introduced below, but not limited to this method.
Method 1 (low-pass processing)
An example of a 5 × 5 separable filter is shown.
Horizontal lowpass filtering
tmp_Cr [i, j] = {70 * Cr [i, j] + 56 * (Cr [i-1, j] + Cr [i + 1, j])
+ 28 * (Cr [i-2, j] + Cr [i + 2, j]) + 8 * (Cr [i-3, j] + Cr [i + 3, j])
+ (Cr [i-4, j] + Cr [i + 4, j])} / 256
Vertical lowpass filtering
TCr1 [i, j] = {70 * tmp_Cr [i, j] + 56 * (tmp_Cr [i, j-1] + tmp_Cr [i, j + 1])
+ 28 * (tmp_Cr [i, j-2] + tmp_Cr [i, j + 2])
+ 8 * (tmp_Cr [i, j-3] + tmp_Cr [i, j + 3])
+ tmp_Cr [i, j-4] + tmp_Cr [i, j + 4]} / 256

TCb1[i,j]も同様。        The same applies to TCb1 [i, j].

方法2(メディアン処理)
TCr1[i,j]=Median{Cr[i+m,j+n]}
m=0,±1,±2,±3,±4 n=m=0,±1,±2,±3,±4
Method 2 (median processing)
TCr1 [i, j] = Median {Cr [i + m, j + n]}
m = 0, ± 1, ± 2, ± 3, ± 4 n = m = 0, ± 1, ± 2, ± 3, ± 4

4.色勾配解析
次に色構造部を破壊しないように、色勾配を調べて偽色と実在色とを判別する。実在色は3.の色差補正処理を加えても偽色に比べコントラストが残りやすいので、その統計的性質から非常に高い確度で区別が可能。そのときできるだけ精度よく色構造を守るため、実在色間の色コントラストを上げて偽色間の色コントラストを下げるような色指標面を作る。一般に偽色は反対色間で現れやすいので、原色間で色指標を生成するのがよい。
4). Color Gradient Analysis Next, the color gradient is examined to discriminate between false colors and real colors so as not to destroy the color structure. The actual color is 3. Even if the color difference correction processing is added, the contrast is more likely to remain than the false color, so that it can be distinguished with very high accuracy due to its statistical properties. At that time, in order to protect the color structure as accurately as possible, a color index surface is created that raises the color contrast between the existing colors and lowers the color contrast between the false colors. In general, since false colors tend to appear between opposite colors, it is preferable to generate a color index between primary colors.

すなわち、上述のようにして求まった仮色差信号TCr1[i,j],TCb1[i,j]から画素単位の色を評価するための色指標Cdiff[i,j]に変換する。
Cdiff[i,j]=(|TCr1[i,j]|+|TCb1[i,j]|+|TCr1[i,j]-TCb1[i,j]|)/3
That is, the temporary color difference signals TCr1 [i, j] and TCb1 [i, j] obtained as described above are converted into a color index Cdiff [i, j] for evaluating the color in pixel units.
Cdiff [i, j] = (| TCr1 [i, j] | + | TCb1 [i, j] | + | TCr1 [i, j] -TCb1 [i, j] |) / 3

上記色指標は、RGB3原色間で組み合わせ可能な全ての色差情報を利用して、色構造の防御性能を向上させている。色差の定義式を展開すると次のようになる。
Cdiff=(|R-G|+|G-B|+|B-R|)/3
The color index uses all the color difference information that can be combined among the three RGB primary colors to improve the protection performance of the color structure. Expanding the color difference definition is as follows.
Cdiff = (| RG | + | GB | + | BR |) / 3

次に、単一の色指標面に色コントラスト情報を押し込めた面内で、色の変化の度合いを表す色勾配を調べる。このとき色勾配検出用の微分フィルタサイズを仮色差補正フィルタのサイズと同一にして破壊の可能性がある範囲は全て調べられるようにし、色構造非破壊性を高める。

Figure 2009147925
演算を高速化するために、周辺全画素との微分を調べなくても、もう少し間引いた画素間微分に減らしてもよい。 Next, a color gradient representing the degree of color change is examined in a plane in which the color contrast information is pressed into a single color index plane. At this time, the size of the differential filter for detecting the color gradient is made the same as the size of the temporary color difference correction filter so that all possible ranges of damage can be examined, thereby improving the non-destructive color structure.
Figure 2009147925
In order to speed up the calculation, the differential with respect to all the surrounding pixels may not be examined, and the differential between pixels may be reduced to a little more.

なお、ここでは「3.仮色差補正1」とともに5x5サイズのフィルタを用いたが、両者で9x9サイズのものを用いてもよい。そうすると、更に強力な偽色と実在色の分離性能が得られる。   Although a 5 × 5 size filter is used together with “3. Temporary color difference correction 1” here, a 9 × 9 size filter may be used for both. As a result, more powerful false color and real color separation performance can be obtained.

5.適応的色差補正1
色勾配の大きさに応じて色差補正処理をするか否かを切り替える。色勾配の大きい色境界部は元のCr[i,j]がそのまま使われる。
if Cgrad[i,j]≦ThG {Cr[i,j]=TCr1[i,j],Cb[i,j]=TCb1[i,j]}
閾値ThGは、非常に小さな値を設定するだけで、有彩色部、無彩色部を問わず色斑ノイズ、色モアレ発生領域が色差補正対象領域に該当し、色構造部はうまく除外される。255階調のときは5以下程度の値をとる。
5. Adaptive color difference correction 1
Whether or not to perform color difference correction processing is switched according to the magnitude of the color gradient. The original Cr [i, j] is used as it is for the color boundary portion with a large color gradient.
if Cgrad [i, j] ≦ ThG {Cr [i, j] = TCr1 [i, j], Cb [i, j] = TCb1 [i, j]}
As the threshold ThG is set to a very small value, the color spot noise and color moire generation region corresponds to the color difference correction target region regardless of the chromatic color portion and the achromatic color portion, and the color structure portion is well excluded. When the gradation is 255, the value is about 5 or less.

その後、全面に対し3x3程度の一様ローパス処理を加えてもよい。例えば、
Cr[i,j]={4* Cr[i,j]
+2*(Cr[i-1,j]+Cr[i+1,j]+Cr[i,j-1]+Cr[i,j+1])
+1*(Cr[i-1,j-1]+Cr[i+1,j-1]+Cr[i-1,j+1]+Cr[i+1,j+1])}/16
Cb[i,j]も同様。
Thereafter, a uniform low-pass process of about 3x3 may be applied to the entire surface. For example,
Cr [i, j] = {4 * Cr [i, j]
+ 2 * (Cr [i-1, j] + Cr [i + 1, j] + Cr [i, j-1] + Cr [i, j + 1])
+ 1 * (Cr [i-1, j-1] + Cr [i + 1, j-1] + Cr [i-1, j + 1] + Cr [i + 1, j + 1])} / 16
The same applies to Cb [i, j].

前述した「3.仮色差補正1」「4.色勾配解析」「5.適応的色差補正1」を、後述する「6.仮色差補正2」「7.色指標の導出」「8.色判定」「9.適応的色差補正2」の処理で置き換えてもよい。加えて、後述する「6.仮色差補正2」「7.色指標の導出」「8.色判定」「9.適応的色差補正2」の処理を、前述した「3.仮色差補正1」「4.色勾配解析」「5.適応的色差補正1」の処理で置き換えてもよい。   The above-mentioned “3. provisional color difference correction 1” “4. color gradient analysis” “5. adaptive color difference correction 1” will be described later in “6. provisional color difference correction 2” “7. derivation of color index” “8. It may be replaced by the processing of “determination” “9. adaptive color difference correction 2”. In addition, the processing of “6. Temporary color difference correction 2”, “7. Derivation of color index”, “8. Color determination”, and “9. Adaptive color difference correction 2” described later will be described in “3. It may be replaced by the processing of “4. Color gradient analysis” and “5. Adaptive color difference correction 1”.

6.仮色差補正2
色評価を正確に行うため、上述した色差面に生じている色モアレを更に除去する。色差メディアンフィルタも考えられるが、以下のようにローパスフィルタを使用するだけで、高速にその目的を達成することができる。
TCr2[i,j]={4* Cr[i,j]
+2*(Cr[i-2,j]+Cr[i+2,j]+Cr[i,j-2]+Cr[i,j+2])
+1*(Cr[i-2,j-2]+Cr[i+2,j-2]+Cr[i-2,j+2]+Cr[i+2,j+2])}/16
TCb2[i,j]も同様に算出。
6). Temporary color difference correction 2
In order to accurately perform the color evaluation, the color moire generated on the color difference surface is further removed. Although a color difference median filter is also conceivable, the object can be achieved at high speed only by using a low-pass filter as described below.
TCr2 [i, j] = {4 * Cr [i, j]
+ 2 * (Cr [i-2, j] + Cr [i + 2, j] + Cr [i, j-2] + Cr [i, j + 2])
+ 1 * (Cr [i-2, j-2] + Cr [i + 2, j-2] + Cr [i-2, j + 2] + Cr [i + 2, j + 2])} / 16
TCb2 [i, j] is calculated in the same way.

7.色指標の導出
この様にして算出された色差成分は、画像の構造的要因をほぼ完全に排除して、画像が実際に持つ色あいを画素単位で計ることのできるスカラー量となっている。色指標としてCr成分が示すRG間の色差と、Cb成分が示すBG間の色差は既に求まっているが、画素単位のスカラー量であるため更にRB間の色差も評価することができ、極めて人間の視覚的判断に近い色評価が行える。ここに色指標Cdiffの導出式を示す。
Cdiff[i,j]=(|TCr2[i,j]|+|TCb2[i,j]|+|TCr2[i,j]-TCb2[i,j]|)/3
したがって、従来技術の色レベルでは問題となった実際の色と構造的要因に伴う撹乱要因を分離し、かつ全色成分間の色差を評価することで、非常に正確な色指標を手にすることができる。なお、この色指標は色味の度合いを表すものと言える。
7. Derivation of Color Index The color difference component calculated in this way is a scalar quantity that can completely eliminate the structural factors of the image and can measure the actual hue of the image in units of pixels. Although the color difference between RG indicated by the Cr component and the color difference between BG indicated by the Cb component have already been obtained as color indicators, since it is a scalar amount in pixel units, the color difference between RBs can be further evaluated, which is extremely human. Color evaluation close to visual judgment can be made. Here is the derivation formula for the color index Cdiff.
Cdiff [i, j] = (| TCr2 [i, j] | + | TCb2 [i, j] | + | TCr2 [i, j] -TCb2 [i, j] |) / 3
Therefore, it is possible to obtain a very accurate color index by separating the disturbing factors associated with the actual color and structural factors that were problematic in the prior art color level and evaluating the color difference between all color components. be able to. This color index can be said to represent the degree of color.

なお、ここでも更に色指標の精度を上げるため、類似度の周辺加算で行ったようなことを色指標について行ってもよい。   Here, in order to further improve the accuracy of the color index, the same process as that performed by the peripheral addition of the similarity may be performed for the color index.

8.色判定
次に上記連続的色指標を閾値判定して離散的色指標BW[i,j]に色判定結果として変換する。
if Cdiff[i,j]=<Thbc BW[i,j]='b' 低彩度部
else BW[i,j]='c' 彩色部
閾値は256階調のときThbc〜15程度の値をとる。
8). Color Determination Next, the continuous color index is subjected to threshold determination and converted to a discrete color index BW [i, j] as a color determination result.
if Cdiff [i, j] = <Thbc BW [i, j] = 'b'
else BW [i, j] = 'c' Colored portion The threshold takes a value of about Thbc to 15 at 256 gradations.

9.適応的色差補正2
仮補正処理された色差面では補正前に発生していたナイキスト偽色も彩度低下しているので、色判定結果に基づき無彩色部の偽色をできるだけ抑制し、有彩色部の色構造は残す。
if BW[i,j]!='c' {Cr[i,j]=TCr2[i,j],Cb[i,j]=TCb2[i,j]}
9. Adaptive color difference correction 2
Since the Nyquist false color that occurred before correction is reduced in saturation on the color difference surface that has been temporarily corrected, the false color of the achromatic part is suppressed as much as possible based on the color judgment result, and the color structure of the chromatic part is leave.
if BW [i, j]! = 'c' {Cr [i, j] = TCr2 [i, j], Cb [i, j] = TCb2 [i, j]}

10.色指標の導出
この様にしてきれいにしかも適応的に偽色除去された色差面を用いてもう一度、色指標Cdiffの導出する。それによって、輝度面を生成するための同色相関と異色相関の切り替えを行なうための偽色と実在色の判別精度を極限まで高める。
Cdiff[i,j]=(|Cr[i,j]|+|Cb[i,j]|+|Cr[i,j]-Cb[i,j]|)/3
なお、ここでも更に色指標の精度を上げるため、類似度の周辺加算で行ったようなことを色指標について行ってもよい。
10. Derivation of the color index In this way, the color index Cdiff is derived once again using the color difference surface that is cleanly and adaptively subjected to false color removal. Thereby, the discrimination accuracy between the false color and the actual color for switching between the same color correlation and the different color correlation for generating the luminance plane is increased to the limit.
Cdiff [i, j] = (| Cr [i, j] | + | Cb [i, j] | + | Cr [i, j] -Cb [i, j] |) / 3
Here, in order to further improve the accuracy of the color index, the same process as that performed by the peripheral addition of the similarity may be performed for the color index.

11.色判定
次に上記連続的色指標を閾値判定して離散的色指標BW[i,j]に色判定結果として変換する。
if Cdiff[i,j]=<Thab BW[i,j]='a' 無彩色部
閾値は256階調のときThab〜5程度の値をとる。
11. Color Determination Next, the continuous color index is subjected to threshold determination and converted to a discrete color index BW [i, j] as a color determination result.
if Cdiff [i, j] = <Thab BW [i, j] = 'a' Achromatic part The threshold value is about Thab ~ 5 when 256 gradations.

[2]G面生成
1.縦横方向判定2
R,B位置について以下の計算を行う。
1)類似度の算出
a)同色間類似度
Cv0[i,j]=(Cv1+Cv2)/2
Ch0[i,j]=(Ch1+Ch2)/2
ただし、
GG間類似度成分
Cv1=|G[i,j-1]-G[i,j+1]|
Ch1=|G[i-1,j]-G[i+1,j]|
BB(RR)間類似度成分
Cv2=(|Z[i-1,j-1]-Z[i-1,j+1]|+|Z[i+1,j-1]-Z[i+1,j+1]|)/2
Ch2=(|Z[i-1,j-1]-Z[i+1,j-1]|+|Z[i-1,j+1]-Z[i+1,j+1]|)/2
b)類似度の周辺加算
この処理は、異色間類似度と同様、簡略性を優先する場合は省いても良い。
Cv[i,j]=(4*Cv0[i,j]
+2*(Cv0[i-1,j-1]+Cv0[i+1,j-1]+Cv0[i-1,j+1]+Cv0[i+1,j+1])
+Cv0[i,j-2]+Cv0[i,j+2]+Cv0[i-2,j]+Cv0[i+2,j])/16
Ch[i,j]=(4*Ch0[i,j]
+2*(Ch0[i-1,j-1]+Ch0[i+1,j-1]+Ch0[i-1,j+1]+Ch0[i+1,j+1])
+Ch0[i,j-2]+Ch0[i,j+2]+Ch0[i-2,j]+Ch0[i+2,j])/16
[2] G-plane generation Vertical / horizontal direction judgment 2
The following calculation is performed for the R and B positions.
1) Calculation of similarity
a) Similarity between same colors
Cv0 [i, j] = (Cv1 + Cv2) / 2
Ch0 [i, j] = (Ch1 + Ch2) / 2
However,
GG similarity component
Cv1 = | G [i, j-1] -G [i, j + 1] |
Ch1 = | G [i-1, j] -G [i + 1, j] |
BB (RR) similarity component
Cv2 = (| Z [i-1, j-1] -Z [i-1, j + 1] | + | Z [i + 1, j-1] -Z [i + 1, j + 1] | ) / 2
Ch2 = (| Z [i-1, j-1] -Z [i + 1, j-1] | + | Z [i-1, j + 1] -Z [i + 1, j + 1] | ) / 2
b) Peripheral Addition of Similarity Similar to the similarity between different colors, this processing may be omitted when priority is given to simplicity.
Cv [i, j] = (4 * Cv0 [i, j]
+ 2 * (Cv0 [i-1, j-1] + Cv0 [i + 1, j-1] + Cv0 [i-1, j + 1] + Cv0 [i + 1, j + 1])
+ Cv0 [i, j-2] + Cv0 [i, j + 2] + Cv0 [i-2, j] + Cv0 [i + 2, j]) / 16
Ch [i, j] = (4 * Ch0 [i, j]
+ 2 * (Ch0 [i-1, j-1] + Ch0 [i + 1, j-1] + Ch0 [i-1, j + 1] + Ch0 [i + 1, j + 1])
+ Ch0 [i, j-2] + Ch0 [i, j + 2] + Ch0 [i-2, j] + Ch0 [i + 2, j]) / 16

2)類似性判定
if |Cv[i,j]-Ch[i,j]|=<Th1 HVs[i,j]=0 縦横類似性不明
else if Cv[i,j]<Ch[i,j] HVs[i,j]=1 縦類似
else HVs[i,j]= -1 横類似
閾値Th1は、Th0と同程度の値をとる。
2) Similarity judgment
if | Cv [i, j] -Ch [i, j] | = <Th1 HVs [i, j] = 0
else if Cv [i, j] <Ch [i, j] HVs [i, j] = 1 Vertical similarity
else HVs [i, j] = −1 Transverse similarity The threshold value Th1 takes the same value as Th0.

2.方向指標の選択
色判定結果に基づいて、異色間類似度による方向判定結果と同色間類似度による方向判定結果を使い分ける。
if BW[i,j]='a' HV[i,j]=HVd[i,j]
else HV[i,j]=HVs[i,j]
2. Direction Index Selection Based on the color determination result, the direction determination result based on the similarity between different colors and the direction determination result based on the similarity between the same colors are properly used.
if BW [i, j] = 'a' HV [i, j] = HVd [i, j]
else HV [i, j] = HVs [i, j]

3.斜め方向判定
R,B位置について以下の計算を行う。
1)類似度の算出
a)類似度
C45_0[i,j]=(a1*C45_1+a2*C45_2+a3*C45_3)/(a1+a2+a3)
C135_0[i,j]=(a1*C135_1+a2*C135_2+a3*C135_3)/(a1+a2+a3)
ただし、
BR(RB)間類似度成分
C45_1=(|Z[i+1,j-1]-Z[i,j]|+|Z[i-1,j+1]-Z[i,j]|)/2
C135_1=(|Z[i-1,j-1]-Z[i,j]|+|Z[i+1,j+1]-Z[i,j]|)/2
GG間類似度成分
C45_2=(|G[i,j-1]-G[i-1,j]|+| G[i+1,j]-G[i,j+1]|)/2
C135_2=(|G[i,j-1]-G[i+1,j]|+|G[i-1,j]-G[i,j+1]|)/2
BB(RR)間類似度成分
C45_3=|Z[i+1,j-1]-Z[i-1,j+1]|
C135_3=(|Z[i-1,j-1]-Z[i+1,j+1]|
定数a1,a2,a3の値は、a1=a2=a3=1やa1=a2=2, a3=1などに設定するとよい。
3. Oblique direction judgment
The following calculation is performed for the R and B positions.
1) Calculation of similarity
a) Similarity
C45_0 [i, j] = (a1 * C45_1 + a2 * C45_2 + a3 * C45_3) / (a1 + a2 + a3)
C135_0 [i, j] = (a1 * C135_1 + a2 * C135_2 + a3 * C135_3) / (a1 + a2 + a3)
However,
BR (RB) similarity component
C45_1 = (| Z [i + 1, j-1] -Z [i, j] | + | Z [i-1, j + 1] -Z [i, j] |) / 2
C135_1 = (| Z [i-1, j-1] -Z [i, j] | + | Z [i + 1, j + 1] -Z [i, j] |) / 2
GG similarity component
C45_2 = (| G [i, j-1] -G [i-1, j] | + | G [i + 1, j] -G [i, j + 1] |) / 2
C135_2 = (| G [i, j-1] -G [i + 1, j] | + | G [i-1, j] -G [i, j + 1] |) / 2
BB (RR) similarity component
C45_3 = | Z [i + 1, j-1] -Z [i-1, j + 1] |
C135_3 = (| Z [i-1, j-1] -Z [i + 1, j + 1] |
The values of the constants a1, a2, and a3 are preferably set to a1 = a2 = a3 = 1, a1 = a2 = 2, a3 = 1, and the like.

b)類似度の周辺加算
この処理は、縦横方向の類似度と同様、簡略性を優先する場合は省いても良い。
C45[i,j]=(4*C45_0[i,j]
+2*(C45_0[i-1,j-1]+C45_0[i+1,j-1]
+C45_0[i-1,j+1]+C45_0[i+1,j+1])
+C45_0[i,j-2]+C45_0[i,j+2]+C45_0[i-2,j]+C45_0[i+2,j])/16
C135[i,j]=(4*C135_0[i,j]
+2*(C135_0[i-1,j-1]+C135_0[i+1,j-1]
+C135_0[i-1,j+1]+C135_0[i+1,j+1])
+C135_0[i,j-2]+C135_0[i,j+2]+C135_0[i-2,j]+C135_0[i+2,j])/16
b) Peripheral addition of similarity This process may be omitted when priority is given to simplicity, as with the similarity in the vertical and horizontal directions.
C45 [i, j] = (4 * C45_0 [i, j]
+ 2 * (C45_0 [i-1, j-1] + C45_0 [i + 1, j-1]
+ C45_0 [i-1, j + 1] + C45_0 [i + 1, j + 1])
+ C45_0 [i, j-2] + C45_0 [i, j + 2] + C45_0 [i-2, j] + C45_0 [i + 2, j]) / 16
C135 [i, j] = (4 * C135_0 [i, j]
+ 2 * (C135_0 [i-1, j-1] + C135_0 [i + 1, j-1]
+ C135_0 [i-1, j + 1] + C135_0 [i + 1, j + 1])
+ C135_0 [i, j-2] + C135_0 [i, j + 2] + C135_0 [i-2, j] + C135_0 [i + 2, j]) / 16

2)類似性判定
if |C45[i,j]-C135[i,j]|=<Th2 DN[i,j]=0 斜め類似性不明
else if C45[i,j]<C135[i,j] DN[i,j]=1 斜め45゜類似
else DN[i,j]= -1 斜め135゜類似
閾値Th2は、Th0やTh1と同程度の値をとる。
2) Similarity judgment
if | C45 [i, j] -C135 [i, j] | = <Th2 DN [i, j] = 0 Diagonal similarity unknown
else if C45 [i, j] <C135 [i, j] DN [i, j] = 1 Similar to 45 °
else DN [i, j] = -1 Similar to 135 ° diagonally Th2 has the same value as Th0 and Th1.

4.G面生成
if [i,j] is not a G site in a Bayer plane{
if HV[i,j]=0{
if DN[i,j]=0 G[i,j]=(Gv+Gh)/2
else if DN[i,j]=1 G[i,j]=(Gv45+Gh45)/2
else G[i,j]=(Gv135+Gh135)/2
}
else if HV[i,j]=1{
if DN[i,j]=0 G[i,j]=Gv
else if DN[i,j]=1 G[i,j]=Gv45
else G[i,j]=Gv135
}
else{
if DN[i,j]=0 G[i,j]=Gh
else if DN[i,j]=1 G[i,j]=Gh45
else G[i,j]=Gh135
}
}
ここで、
Gv=(G[i,j-1]+G[i,j+1])/2
+(2*Z[i,j]-Z[i,j-2]-Z[i,j+2])/8
+(2*G[i-1,j]-G[i-1,j-2]-G[i-1,j+2]
+2*G[i+1,j]-G[i+1,j-2]-G[i+1,j+2])/16
Gv45=(G[i,j-1]+G[i,j+1])/2
+(2*Z[i,j]-Z[i,j-2]-Z[i,j+2])/8
+(2*Z[i-1,j+1]-Z[i-1,j-1]-Z[i-1,j+3]
+2*Z[i+1,j-1]-Z[i+1,j-3]-Z[i+1,j+1])/16
Gv135=(G[i,j-1]+G[i,j+1])/2
+(2*Z[i,j]-Z[i,j-2]-Z[i,j+2])/8
+(2*Z[i-1,j-1]-Z[i-1,j-3]-Z[i-1,j+1]
+2*Z[i+1,j+1]-Z[i+1,j-1]-Z[i+1,j+3])/16
Gh=(G[i-1,j]+G[i+1,j])/2
+(2*Z[i,j]-Z[i-2,j]-Z[i+2,j])/8
+(2*G[i,j-1]-G[i-2,j-1]-G[i+2,j-1]
+2*G[i,j+1]-G[i-2,j+1]-G[i+2,j+1])/16
Gh45=(G[i-1,j]+G[i+1,j])/2
+(2*Z[i,j]-Z[i-2,j]-Z[i+2,j])/8
+(2*Z[i+1,j-1]-Z[i-1,j-1]-Z[i+3,j-1]
+2*Z[i-1,j+1]-Z[i-3,j+1]-Z[i+1,j+1])/16
Gh135=(G[i-1,j]+G[i+1,j])/2
+(2*Z[i,j]-Z[i-2,j]-Z[i+2,j])/8
+(2*Z[i-1,j-1]-Z[i-3,j-1]-Z[i+1,j-1]
+2*Z[i+1,j+1]-Z[i-1,j+1]-Z[i+3,j+1])/16
4). G plane generation
if [i, j] is not a G site in a Bayer plane {
if HV [i, j] = 0 {
if DN [i, j] = 0 G [i, j] = (Gv + Gh) / 2
else if DN [i, j] = 1 G [i, j] = (Gv45 + Gh45) / 2
else G [i, j] = (Gv135 + Gh135) / 2
}
else if HV [i, j] = 1 {
if DN [i, j] = 0 G [i, j] = Gv
else if DN [i, j] = 1 G [i, j] = Gv45
else G [i, j] = Gv135
}
else {
if DN [i, j] = 0 G [i, j] = Gh
else if DN [i, j] = 1 G [i, j] = Gh45
else G [i, j] = Gh135
}
}
here,
Gv = (G [i, j-1] + G [i, j + 1]) / 2
+ (2 * Z [i, j] -Z [i, j-2] -Z [i, j + 2]) / 8
+ (2 * G [i-1, j] -G [i-1, j-2] -G [i-1, j + 2]
+ 2 * G [i + 1, j] -G [i + 1, j-2] -G [i + 1, j + 2]) / 16
Gv45 = (G [i, j-1] + G [i, j + 1]) / 2
+ (2 * Z [i, j] -Z [i, j-2] -Z [i, j + 2]) / 8
+ (2 * Z [i-1, j + 1] -Z [i-1, j-1] -Z [i-1, j + 3]
+ 2 * Z [i + 1, j-1] -Z [i + 1, j-3] -Z [i + 1, j + 1]) / 16
Gv135 = (G [i, j-1] + G [i, j + 1]) / 2
+ (2 * Z [i, j] -Z [i, j-2] -Z [i, j + 2]) / 8
+ (2 * Z [i-1, j-1] -Z [i-1, j-3] -Z [i-1, j + 1]
+ 2 * Z [i + 1, j + 1] -Z [i + 1, j-1] -Z [i + 1, j + 3]) / 16
Gh = (G [i-1, j] + G [i + 1, j]) / 2
+ (2 * Z [i, j] -Z [i-2, j] -Z [i + 2, j]) / 8
+ (2 * G [i, j-1] -G [i-2, j-1] -G [i + 2, j-1]
+ 2 * G [i, j + 1] -G [i-2, j + 1] -G [i + 2, j + 1]) / 16
Gh45 = (G [i-1, j] + G [i + 1, j]) / 2
+ (2 * Z [i, j] -Z [i-2, j] -Z [i + 2, j]) / 8
+ (2 * Z [i + 1, j-1] -Z [i-1, j-1] -Z [i + 3, j-1]
+ 2 * Z [i-1, j + 1] -Z [i-3, j + 1] -Z [i + 1, j + 1]) / 16
Gh135 = (G [i-1, j] + G [i + 1, j]) / 2
+ (2 * Z [i, j] -Z [i-2, j] -Z [i + 2, j]) / 8
+ (2 * Z [i-1, j-1] -Z [i-3, j-1] -Z [i + 1, j-1]
+ 2 * Z [i + 1, j + 1] -Z [i-1, j + 1] -Z [i + 3, j + 1]) / 16

[3]カラー画像出力
各画素についてCr[i,j]、Cb[i,j]、G[i,j]が求まるので、カラー画像が出来上がる。
RGB表色系にする場合は、以下の表色変換を行う。
R[i,j]=Cr[i,j]+G[i,j]
B[i,j]=Cb[i,j]+G[i,j]
[3] Color image output Since Cr [i, j], Cb [i, j] and G [i, j] are obtained for each pixel, a color image is completed.
When using the RGB color system, the following color conversion is performed.
R [i, j] = Cr [i, j] + G [i, j]
B [i, j] = Cb [i, j] + G [i, j]

上記補間処理のアルゴリズムを言葉で表現すると次のようになる。撮像素子4から出力されデジタル変換された画像信号(画像データ)に対し、少なくともx軸とy軸の2方向に関して、互いに最小画素間隔で存在し合う異なる色成分間の色信号を用いて異色間類似度を算出し、この異色間類似度に基づいて類似性の強い方向を判定し、類似性判定結果に基づいて、各々の画素に共通する色成分の色信号を生成する。   The above interpolation processing algorithm is expressed in words as follows. The image signal (image data) output from the image pickup device 4 and converted into a digital signal between different colors using color signals between different color components that exist at a minimum pixel interval in at least two directions of the x axis and the y axis. The similarity is calculated, the direction of strong similarity is determined based on the similarity between different colors, and the color signal of the color component common to each pixel is generated based on the similarity determination result.

また、類似性判定結果に基づいて各々の画素に、輝度を担う色成分信号(G成分)と他の色成分信号(R成分、B成分)との間の色差成分信号(Cr,Cb)を生成し、生成された色差信号に基づいて、色味の度合いを表す色指標と色の変化の度合いを表す色勾配指標の少なくとも1つの指標を算出し、少なくとも1つの指標に基づいて、生成された色差成分信号を適応的に補正してから画像データとして出力する。   In addition, based on the similarity determination result, each pixel receives a color difference component signal (Cr, Cb) between the color component signal (G component) responsible for luminance and the other color component signals (R component, B component). Based on the generated color difference signal, at least one index of a color index indicating the degree of tint and a color gradient index indicating the degree of color change is calculated, and generated based on at least one index The obtained color difference component signal is adaptively corrected and then output as image data.

また、生成された色差信号に対し仮想的に一様な補正を行なった色差信号に基づいて、色指標ないしは色勾配指標を算出する。   Further, a color index or a color gradient index is calculated based on the color difference signal obtained by virtually correcting the generated color difference signal.

また、適応的に補正された色差信号に基づいて、色味の度合いを表す色指標を算出し、この色指標に基づいて、異なる色成分間の色信号からなる異色間類似度と、同じ色成分間の色信号からなる同色間類似度の何れの類似度の信頼度が高いかを判断し、信頼度に基づいて構成された類似度に基づいて類似性の強い方向を判定し、この類似性判定結果に基づいて、各々の画素に輝度を担う色成分信号(G成分)を生成して出力する。   Also, a color index representing the degree of color is calculated based on the adaptively corrected color difference signal, and based on this color index, the similarity between different colors composed of color signals between different color components and the same color are calculated. Judge which similarity of the same-color similarity composed of color signals between components is more reliable, determine the direction of strong similarity based on the similarity configured based on the reliability, and this similarity Based on the sex determination result, a color component signal (G component) responsible for luminance is generated and output for each pixel.

−第2の実施の形態−
第2の実施の形態のデジタルカメラでは、光学ローパスフィルタが第1の実施の形態と異なる。その他の構成は、第1の実施の形態と同様であるのでその説明を省略する。以下、第2の実施の形態の光学ローパスフィルタについて説明をする。
-Second Embodiment-
In the digital camera of the second embodiment, the optical low-pass filter is different from that of the first embodiment. Other configurations are the same as those of the first embodiment, and thus the description thereof is omitted. Hereinafter, the optical low-pass filter of the second embodiment will be described.

<光学ローパスフィルタ構成>
第2の実施の形態では、最初に候補に挙げた3タイプの光学ローパスフィルタの内、非対称であっても鮮鋭感の高さが最大の利点となる1枚構成型の縦1方向型を採用する。また、簡易な構成であるためコスト低減に寄与する。幾何光学シミュレーションの節の図15から、F2.8における色モアレ・偽解像フリーになる強度を決めれば、第1の実施の形態の補間アルゴリズムを用いた画素ピッチ依存性に関して十分条件を与える。
<Optical low-pass filter configuration>
In the second embodiment, among the three types of optical low-pass filters that were first listed as candidates, a one-piece vertical one-way type that has the greatest advantage of sharpness even when asymmetric is adopted. To do. In addition, the simple configuration contributes to cost reduction. From FIG. 15 in the section of geometrical optical simulation, if the intensity that is free of color moire and false resolution in F2.8 is determined, sufficient conditions are given for the pixel pitch dependency using the interpolation algorithm of the first embodiment.

第2の実施の形態の光学ローパスフィルタの最適構成を図28に示す。第2の実施の形態の1枚型の光学ローパスフィルタは6μm/pixel以下のカメラでしか使うことができない。   The optimum configuration of the optical low-pass filter of the second embodiment is shown in FIG. The single-type optical low-pass filter of the second embodiment can be used only with a camera of 6 μm / pixel or less.

第2の実施の形態の光学ローパスフィルタは、撮像素子の画素が互いに直交するx,yの2方向に画素間隔(a,b)で格子状に配列されているとすると、(x,y)座標軸に対して1方向のみ(0,b)×(1/α)だけの光線分離を行なって、入射光の空間的な周波数特性を変調している。   In the optical low-pass filter of the second embodiment, assuming that the pixels of the image sensor are arranged in a grid pattern with pixel intervals (a, b) in two directions x and y orthogonal to each other, (x, y) The spatial frequency characteristic of the incident light is modulated by performing light beam separation in only one direction (0, b) × (1 / α) with respect to the coordinate axis.

図28(a)は、上記のαについて、画素ピッチが約6μm/pixelのときα=1に設定し、画素ピッチが約5μm/pixelのときα≧1.1に設定し、画素ピッチが約4μm/pixelのときα≧1.3(=4/3)に設定し、画素ピッチが約3μm/pixelのときα≧1.67(=5/3)に設定することを示している。このことは、x,yの2方向の画素ピッチが6μm/pixel以下の場合に、α≧1に設定することを意味している。さらに、画素間隔の値が2μm/pixel以下では光学ローパスフィルタを使用しないのが好ましい。すなわち、光学ローパスフィルタはデジタルカメラ1に選択的に設けるようにし、画素間隔の値が2μm/pixel以下では設けないようにする。   FIG. 28A shows that α is set to α = 1 when the pixel pitch is about 6 μm / pixel, α ≧ 1.1 when the pixel pitch is about 5 μm / pixel, and the pixel pitch is about 4 μm / pixel. In the case of pixel, α ≧ 1.3 (= 4/3) is set, and when the pixel pitch is about 3 μm / pixel, α ≧ 1.67 (= 5/3) is set. This means that α ≧ 1 is set when the pixel pitch in the two directions x and y is 6 μm / pixel or less. Further, it is preferable not to use the optical low-pass filter when the pixel interval value is 2 μm / pixel or less. That is, the optical low-pass filter is selectively provided in the digital camera 1 and is not provided when the pixel interval value is 2 μm / pixel or less.

なお、図28(a)では色モアレ・偽解像フリーになるOLPF構成の十分条件により下限値を規定した。しかし、最適なαの設定範囲としては、該当画素ピッチより1μm/pixelだけ小さい側で与えている下限値を上限値として設定すれば、色モアレ・偽解像フリーに近いレベルを保ちつつ、鮮鋭感回復を実現することができるようになる。これらのことを考慮した最適なaとαの関係を図28(b)のグラフに示す。図28(b)のグラフのハッチングのかかった範囲が、2.5μm≦a≦5.0μmにおいて、最適なaとαの範囲である。   In FIG. 28A, the lower limit value is defined according to sufficient conditions of the OLPF configuration in which color moire and false resolution are free. However, the optimum setting range for α is to set the lower limit given by 1 μm / pixel smaller than the corresponding pixel pitch as the upper limit. A feeling of recovery can be realized. The optimum relationship between a and α in consideration of these matters is shown in the graph of FIG. The hatched range in the graph of FIG. 28B is the optimum range of a and α when 2.5 μm ≦ a ≦ 5.0 μm.

図28(b)の左側のグラフ(黒点)は、第1の実施の形態の図27(b)と同様に、図28(a)の3μm、4μm、5μm、6μmのαの値の黒点を曲線でプロットしたものである。2.5μmの黒点は、2.5μmより小さい範囲では、ローパスフィルタは不要であることと、200%を越える範囲では、図11よりローパスフィルタが無い状態に十分に近いレベルにあるので、αの上限を200%とした。また、2μm上の直線は2μmで∞となる漸近線である。図28(b)の右側のグラフ(×点)は、左側のグラフを1μm右へシフトしたグラフである。   The graph (black dot) on the left side of FIG. 28 (b) shows the black dots having the values of α of 3 μm, 4 μm, 5 μm, and 6 μm in FIG. 28 (a), as in FIG. 27 (b) of the first embodiment. It is plotted with a curve. The black spot of 2.5 μm is not necessary for the low-pass filter in the range smaller than 2.5 μm, and is in a level sufficiently close to the state without the low-pass filter from FIG. 11 in the range exceeding 200%. 200%. The straight line above 2 μm is an asymptotic line that becomes ∞ at 2 μm. The graph on the right side (x point) in FIG. 28B is a graph obtained by shifting the left graph to the right by 1 μm.

上記により、撮像素子4の画素間隔(a,b)が共に2.5〜5μmの範囲にあるとき、光学ローパスフィルタの死滅周波数帯域の位置を、撮像素子4のナイキスト周波数に対して1.1≦α≦2.0倍の範囲に設定することが最適であることが示されている。   As described above, when both the pixel intervals (a, b) of the image sensor 4 are in the range of 2.5 to 5 μm, the position of the extinction frequency band of the optical low-pass filter is 1.1 with respect to the Nyquist frequency of the image sensor 4. It is shown that it is optimal to set it in a range of ≦ α ≦ 2.0 times.

また、撮影レンズ2がとりうる最大の開放絞り値からF8以上に至るまでの絞り制御が可能な場合に、撮像素子4の画素間隔の値が約4〜6μm/pixelに該当する場合に、上記の特性を有する光学ローパスフィルタを使用するのが好ましい。   In addition, when the aperture control from the maximum open aperture value that can be taken by the photographing lens 2 to F8 or more is possible, the pixel spacing value of the image sensor 4 corresponds to about 4 to 6 μm / pixel. It is preferable to use an optical low-pass filter having the following characteristics.

なお、想定している撮像素子のカラーフィルタ配列は第1の実施の形態に準ずる。   Note that the assumed color filter array of the image sensor is in accordance with the first embodiment.

−第3の実施の形態−
第3の実施の形態のデジタルカメラでは、光学ローパスフィルタが第1の実施の形態と異なる。その他の構成は、第1の実施の形態と同様であるのでその説明を省略する。以下、第3の実施の形態の光学ローパスフィルタについて説明をする。
-Third embodiment-
In the digital camera of the third embodiment, the optical low-pass filter is different from that of the first embodiment. Other configurations are the same as those of the first embodiment, and thus the description thereof is omitted. Hereinafter, the optical low-pass filter of the third embodiment will be described.

<光学ローパスフィルタ構成>
第3の実施の形態では、最初に候補に挙げた3タイプの光学ローパスフィルタの中で、対称性をもつ2枚構成型の内、縦横2方向型を採用する。幾何光学シミュレーションの節で調べたように、図13、図16、図17の各レンズ使用条件で、縦横2方向型と斜め2方向型の光学ローパスフィルタのどちらの方が弱い強度で色モアレ・偽解像フリーにできるかをみた結果は、全ての条件で斜め型の方が有利であった。しかし、縦横2方向型であっても、画素ピッチ依存性に関して従来より弱い強度で色モアレ・偽解像フリーにできる十分な結果を出すことができる領域が存在する。その領域では、光学ローパスフィルタの役割をレンズMTFに担わせることが可能となる。
<Optical low-pass filter configuration>
In the third embodiment, among the three types of optical low-pass filters first listed as candidates, the two-way configuration type having symmetry is used in the vertical and horizontal two-way type. As examined in the section on geometrical optical simulation, under the lens usage conditions in FIGS. 13, 16, and 17, either the vertical / horizontal two-way type or the diagonal two-way type optical low-pass filter has a weaker intensity and color moiré. As a result of seeing whether it is possible to make false resolution free, the oblique type was more advantageous under all conditions. However, even in the case of the vertical and horizontal two-way type, there is a region that can produce a sufficient result that can be made free of color moire and false resolution with a weaker intensity than before in terms of pixel pitch dependency. In this region, the lens MTF can play the role of the optical low-pass filter.

従って、第3の実施の形態では、縦横2方向型の光学ローパスフィルタを採用する。図29は、その最適構成を示す図である。なお、完全に色モアレフリーの条件を目指さないのであれば、大きい画素ピッチの間は従来と同じく100〜133%hvの範囲を使い続け、ある画素ピッチ以下(例えば4μm/pixel)では、それより弱い光学ローパスフィルタを設定するようにする。   Therefore, in the third embodiment, a vertical and horizontal two-direction optical low-pass filter is employed. FIG. 29 is a diagram showing the optimum configuration. If the color moire-free condition is not aimed completely, the range of 100 to 133% hv is continuously used during a large pixel pitch, and below a certain pixel pitch (for example, 4 μm / pixel). Set a weak optical low-pass filter.

第3の実施の形態の光学ローパスフィルタは、撮像素子の画素が互いに直交するx,yの2方向に画素間隔(ピッチ)(a,b)で格子状に配列されているとすると、(x,y)座標軸に対して縦・横2方向(a/α,0)及び(0,b/α)への光線分離を行なって入射光の空間的な周波数特性を変調している。   If the optical low-pass filter of the third embodiment is arranged in a lattice pattern with pixel intervals (pitch) (a, b) in two directions x and y orthogonal to each other, , y) Modulates the spatial frequency characteristics of incident light by separating light beams in two vertical and horizontal directions (a / α, 0) and (0, b / α) with respect to the coordinate axis.

なお、図29(a)では色モアレ・偽解像フリーになるOLPF構成の十分条件により下限値を規定した。しかし、最適なαの設定範囲としては、該当画素ピッチより1μm/pixel小さい側で与えている下限値を上限値として設定すれば、色モアレ・偽解像フリーに近いレベルを保ちつつ、鮮鋭感回復を実現することができるようになる。これらのことを考慮した最適なaとαの関係を図29(b)のグラフに示す。図29(b)のグラフのハッチングのかかった範囲が、2.5μm≦a≦4.0μmにおいて、最適なaとαの範囲である。   In FIG. 29A, the lower limit value is defined according to sufficient conditions of the OLPF configuration in which color moire and false resolution are free. However, as the optimum setting range of α, if the lower limit value given on the side 1 μm / pixel smaller than the corresponding pixel pitch is set as the upper limit value, sharpness is maintained while maintaining a level close to color moiré and false resolution free. Recovery can be realized. The optimum relationship between a and α in consideration of these matters is shown in the graph of FIG. The hatched range of the graph of FIG. 29B is the optimum range of a and α when 2.5 μm ≦ a ≦ 4.0 μm.

図29(b)の左側のグラフ(黒点)は、第1の実施の形態の図27(b)と同様に、図29(a)の3μm、4μm、5μm、6μmのαの値の黒点を曲線でプロットしたものである。2.5μmの黒点は、2.5μmより小さい範囲では、ローパスフィルタは不要であることと、250%を越える範囲では、ローパスフィルタが無い状態と同じであるので、αの上限を250%とした。また、2μm上の直線は2μmで∞となる漸近線である。図29(b)の右側のグラフ(×点)は、左側のグラフを1μm右へシフトしたグラフである。   The graph (black dots) on the left side of FIG. 29B shows the black dots having the values of α of 3 μm, 4 μm, 5 μm, and 6 μm in FIG. 29A, as in FIG. 27B of the first embodiment. It is plotted with a curve. The black spot of 2.5 μm has the same upper limit of α as 250% because a low-pass filter is unnecessary in a range smaller than 2.5 μm, and in the range exceeding 250%, it is the same as a state without a low-pass filter. The straight line above 2 μm is an asymptotic line that becomes ∞ at 2 μm. The graph on the right side (x point) in FIG. 29B is a graph obtained by shifting the left graph to the right by 1 μm.

上記により、撮像素子4の画素間隔(a,b)が共に2.5〜4μmの範囲にあるとき、光学ローパスフィルタの死滅周波数帯域の位置を、撮像素子4のナイキスト周波数に対して1.45≦α≦2.5倍の範囲に設定することが最適であることが示されている。   As described above, when the pixel interval (a, b) of the image sensor 4 is in the range of 2.5 to 4 μm, the position of the extinction frequency band of the optical low-pass filter is 1.45 with respect to the Nyquist frequency of the image sensor 4. It has been shown that it is optimal to set it in a range of ≦ α ≦ 2.5 times.

なお、想定している撮像素子のカラーフィルタ配列は第1の実施の形態に準ずる。   Note that the assumed color filter array of the image sensor is in accordance with the first embodiment.

−第4の実施の形態−
第1の実施の形態も第2の実施の形態も更に第3の実施の形態も色モアレ・偽解像フリーの条件を満たすのであるから、さらにその中で鮮鋭感が高くなる方を画素ピッチ依存性に関して切り替えて構成した方が有利である。各々の画素ピッチで決めた十分条件において、各光学ローパスフィルタの構成を採ったときのそれが与える鮮鋭感指標を比較したものを図30に示す。なお参考のため、縦横2方向型ローパスフィルタが色モアレ・偽解像フリーの条件を満たす十分条件を図13のF2.8の点から導出し、それに対応する鮮鋭感指標を算出したグラフも合わせて載せる。
-Fourth embodiment-
Since the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment both satisfy the condition of color moire and false resolution free, the pixel pitch with the higher sharpness is selected. It is advantageous to switch and configure the dependency. FIG. 30 shows a comparison of the sharpness index given by each optical low-pass filter under the sufficient condition determined by each pixel pitch. For reference, the vertical / horizontal two-way low-pass filter satisfies the conditions for satisfying the condition of color moire and false resolution free from the point of F2.8 in FIG. 13, and the graph that calculates the corresponding sharpness index is also included. Put it on.

図30から、図31に示す光学ローパスフィルタの構成にするのがよいと考えられる。   From FIG. 30, it is considered that the configuration of the optical low-pass filter shown in FIG. 31 is preferable.

ここで、3μm/pixelのとき光学ローパスフィルタ無としてもよい条件を付け加えたのは、以下の理由による。すなわち、図13の2μm/pixel、F2.8における幾何光学的シミュレーションから、この条件程度にまでコントラストがナイキスト周波数で低下した場合は、本実施形態の補間アルゴリズムを用いれば光学ローパスフィルタが不要でよいとの知見を得ているので、そのときのコントラストの値を図25の表から読み取ると1/contrast=9±5となっている。これは、誤差は大きいが約0.1すなわち10%のMTFに対応する。   Here, the reason why the optical low-pass filter may be omitted at 3 μm / pixel is added for the following reason. That is, from the geometrical optical simulation at 2 μm / pixel, F2.8 in FIG. 13, when the contrast is reduced to the Nyquist frequency to this level, the optical low-pass filter may be unnecessary if the interpolation algorithm of this embodiment is used. Thus, when the value of the contrast at that time is read from the table of FIG. 25, 1 / contrast = 9 ± 5. This corresponds to an MTF of about 0.1 or 10% with a large error.

一方、図23の3μm/pixelのときの最も合成系のコントラストが高い方のF2.8の厳しい条件では1/contrast=5±1となっている。したがって、実際の波動光学を含んだシミュレーションを行なえば、誤差の範囲で色モアレ・偽解像フリーになる可能性が高い。ゆえに、一眼レフ系レンズ群で異色相関を用いた補間アルゴリズムを使用した場合、2.5±0.5μm/pixel以下から光学ローパスフィルタが不要と推測することができる。このときのカメラは35x24mmのフィルムサイズの場合、135M画素ないしは誤差の範囲を見積もると93〜210M画素である。   On the other hand, 1 / contrast = 5 ± 1 in the severe condition of F2.8 having the highest contrast of the composite system at 3 μm / pixel in FIG. Therefore, if a simulation including actual wave optics is performed, there is a high possibility that color moire and false resolution are free within the range of errors. Therefore, when an interpolation algorithm using a different color correlation is used in a single-lens reflex lens group, it can be estimated that an optical low-pass filter is unnecessary from 2.5 ± 0.5 μm / pixel or less. In this case, when the film size is 35 × 24 mm, the camera is 135 M pixels or 93 to 210 M pixels when the error range is estimated.

このように画素ピッチが小さくなるに従って一眼レフ系レンズのMTFが低下によってぼけてくるのを、光学ローパスフィルタを弱めて鮮鋭感指標を持ち上げてやることにより、これらのレンズ群を使用し続けられるように救済することができる。また、光学ローパスフィルタをデジタルカメラ1に選択的に設けるようにし、画素間隔の値が2.5±0.5μm/pixel以下では設けないようにする。これにより、無駄に光学ローパスフィルタを設けることを防ぐことができる。   As the pixel pitch decreases in this way, the MTF of a single-lens reflex lens is blurred due to the decrease. By weakening the optical low-pass filter and raising the sharpness index, these lens groups can continue to be used. Can be rescued. Further, an optical low-pass filter is selectively provided in the digital camera 1 and is not provided when the pixel interval value is 2.5 ± 0.5 μm / pixel or less. Thereby, it is possible to prevent unnecessary provision of the optical low-pass filter.

以上説明した実施の形態のカメラシステム100は、次のような作用効果を有する。
(1)画像処理の原理的な能力を把握して利用することにより、画素ピッチ微細化に対しても光学ローパスフィルタの役割をレンズMTFで代替させることができるようになり、総合MTFを保つことが可能となる。よって、現行レンズシステムの高画素数化に伴うボケ問題に対処することが可能となる。
The camera system 100 according to the embodiment described above has the following operational effects.
(1) By grasping and using the fundamental capabilities of image processing, the lens MTF can replace the role of the optical low-pass filter for pixel pitch miniaturization, and the overall MTF is maintained. Is possible. Therefore, it is possible to cope with the blurring problem associated with the increase in the number of pixels of the current lens system.

(2)色補間処理、すなわちデモザイキング技術における方向分解能向上と偽色抑制効果改善の特質を利用して、高画素数化が伴わない場合であっても高性能化した画像処理が得意とする周波数帯域の偽色・偽解像対策は画像処理部に委ねてその部分のMTFは高く保ち、画像処理で完全に対応できない周波数帯域に光学ローパスフィルタのエネルギーを集中させることにより、実質的に従来よりも解像限界周波数帯域内でのMTF強度を高めつつ色モアレが更に抑制された高品質な補間画像を得ることができる。したがって、量子力学の不確定性原理の働く「鮮鋭感の保持と偽色抑制をあるレベル以上には両立できない」、との不等号の関係を画像処理アルゴリズムの高性能化をうまく活用して光学ローパスフィルタを設計することによって、できるだけ等号が成立するに近いレベルでの実現を可能とする。 (2) Using color interpolation processing, that is, the characteristics of improving the directional resolution and false color suppression effect in the demosaicing technology, we are good at high-performance image processing even when the number of pixels is not increased. The frequency band false color and false resolution countermeasures are left to the image processing unit, and the MTF of that part is kept high, and the energy of the optical low-pass filter is concentrated in a frequency band that cannot be completely handled by image processing. As a result, it is possible to obtain a high-quality interpolated image in which color moire is further suppressed while increasing the MTF intensity within the resolution limit frequency band. Therefore, the optical low-pass using the high-performance image processing algorithm makes the best use of the relationship between the inequality sign and the fact that the uncertainty principle of quantum mechanics works "cannot maintain sharpness and false color suppression beyond a certain level". By designing the filter, it is possible to achieve a level as close as possible to the establishment of an equal sign.

(3)また、従来の光学ローパスフィルタのMTF特性が担った役割の一部を画像処理技術で代替するとともに、撮像素子の画素ピッチが小さくなることに伴って初めて顕著に現れ始めることとなった結像光学系の波動光学的なレンズMTF低下と、レンズ使用条件によって像面内で平均的に生じる幾何光学的な収差によるMTF低下効果で代替することによって、多くの一般的使用条件下で色モアレ・偽解像の発生を抑えつつ、平均的に常に鮮鋭感・ピント感の高い画像を提供することができる。 (3) In addition to substituting part of the role played by the MTF characteristics of the conventional optical low-pass filter with image processing technology, it began to appear prominently only as the pixel pitch of the image sensor became smaller. By replacing the wave optics lens MTF of the imaging optics with the MTF reduction effect due to geometrical aberrations that occur on the image plane on average depending on the lens usage conditions, color can be obtained under many general usage conditions. While suppressing the occurrence of moiré and false resolution, it is possible to provide images that are always sharp and focused on average.

(4)また、鑑賞するに足る鮮鋭感をもった画像を、従来のレンズシステムを踏襲したまま、光学ローパスフィルタの構成を見直すことによって、更に高画素数化が進んでも提供することができ、既存レンズシステムの延命を図り、救済することができる。すなわち、超高画素数の一眼レフカメラに合わせて、新たに専用レンズ群を用意しなくても従来のレンズ群が使える。 (4) In addition, it is possible to provide an image with sharpness sufficient for appreciation by reviewing the configuration of the optical low-pass filter while following the conventional lens system, even if the number of pixels further increases, The life of existing lens systems can be extended and saved. That is, the conventional lens group can be used without preparing a new dedicated lens group in accordance with a single-lens reflex camera having an extremely high number of pixels.

(5)更に、従来の光学ローパスフィルタに頼っていた部分をレンズMTFと画像処理に代替してもらうことによって、高価な光学ローパスフィルタの複屈折板を従来より薄くしたり、2枚構成から一枚、更には無へと減らしていくことによってコスト削減効果が見込める。 (5) Further, by substituting the lens MTF and image processing for the part that relied on the conventional optical low-pass filter, the birefringent plate of the expensive optical low-pass filter can be made thinner than the conventional one. Cost reduction can be expected by reducing the number of sheets to zero.

なお、上記実施の形態の説明に対して、次のような変形例や補足的な説明を加える。
(1)一眼レフ系の大型撮像素子の他に、コンパクト・カメラ系では小型撮像素子と専用レンズのセットで用いられる。小型撮像素子では2.0μm/pixel前後の画素ピッチを既に使用しており、これらの系では前述の波動光学的MTF落ちが大き過ぎるため、深く絞り込む機能を排し、F2といった明るい専用レンズを付けて、更にその幾何光学的な収差も明るいF値側でMTFが高くなるように設計することが多いようである。この場合には、画素ピッチが小さくなってもMTFは高く保たれるため、光学ローパスフィルタが必要となる。
The following modifications and supplementary explanations are added to the description of the above embodiment.
(1) In addition to a single-lens reflex large image sensor, the compact camera system is used as a set of a small image sensor and a dedicated lens. Small image sensors already use a pixel pitch of around 2.0 μm / pixel. In these systems, the wave optical MTF drop described above is too large, so the function of narrowing down is eliminated and a bright dedicated lens such as F2 is attached. Furthermore, it seems that the geometrical aberration is often designed so that the MTF is high on the bright F value side. In this case, since the MTF is kept high even when the pixel pitch is reduced, an optical low-pass filter is required.

これは、USP6,111,608が示す方向への解決策といえる。すなわち、画素ピッチ微細化に伴って光学ローパスフィルタはそのままにし、レンズ設計を変えてレンズ性能を上げていく方式である。一方の本発明では、これとは対照的に、レンズシステムはそのまま流用し、画像処理の性能の助けを借りて光学ローパスフィルタの設計の変更を試みて対処方法を探ろうとしたものである。なお、今回提示した構成の中で、コンパクトカメラ系の画素ピッチの場合に最適なのは、異色相関を用いた画像処理との組み合わせで、斜め2方向型の141%ddからなる光学ローパスフィルタであると考えられる。   This is a solution in the direction indicated by USP 6,111,608. In other words, the lens performance is improved by changing the lens design while maintaining the optical low-pass filter as the pixel pitch is miniaturized. On the other hand, in the present invention, the lens system is used as it is, and the design of the optical low-pass filter is attempted with the help of the image processing performance to seek a countermeasure. Of the configurations presented this time, the optimal for the pixel pitch of a compact camera system is an optical low-pass filter composed of diagonally bi-directional 141% dd in combination with image processing using different color correlation. Conceivable.

ここで、もう一度一眼レフ系のレンズ光学系が撮像素子の画素ピッチ縮小化に伴って遭遇する問題を、コンパクトカメラ系と比較して整理してみる。   Here, the problem that the single-lens reflex lens optical system encounters as the pixel pitch of the image sensor is reduced will be summarized as compared with the compact camera system.

一般に幾何光学的な収差は、レンズの焦点距離に比例して収差を抑えるのが困難となる。一眼レフ系のレンズのレンズは、例えば35mm×24mmの撮像素子に対しては広角17mm〜標準50mm〜望遠200mm以上の焦点距離fを備えているのが普通である。一方のコンパクト系レンズは、撮像素子が例えば1/3型、4.8mm×3.6mmといったように小さいため、同じ画角を撮影するにしても、相似的に小さな焦点距離ですみ、7mm〜10mm程度の値をとるのが一般的である。   In general, geometrical aberrations are difficult to suppress in proportion to the focal length of the lens. The lens of a single lens reflex lens generally has a focal length f of, for example, a wide angle of 17 mm, a standard of 50 mm, and a telephoto of 200 mm or more for an image sensor of 35 mm × 24 mm. On the other hand, the compact lens has an image sensor as small as 1/3 type, 4.8mm x 3.6mm, so even if the same angle of view is taken, a similar focal length is required. In general, the value is about 10 mm.

従って、幾何光学的な収差は通例焦点距離の長い一眼レフ系レンズの方が悪いのが一般的であり、明るいF値をかせぐためには大口径のレンズとならざるを得ず、特に開放側の収差特性は悪い。このことから、一眼レフ系では幾何学的な収差はF5.6〜F8程度で最も良くなるように設計されているのが普通である。従って、一眼レフ系の交換レンズ群では、撮像素子の縮小化に伴って、MTF特性の悪い開放側でのナイキスト周波数近辺におけるコントラストを保つのが幾何光学的な収差の影響で徐々に困難になる。   Therefore, in general, the single-lens reflex lens having a long focal length is generally worse in geometric optical aberration, and in order to obtain a bright F value, it must be a large-diameter lens. Aberration characteristics are bad. For this reason, in a single-lens reflex system, the geometrical aberration is usually designed to be best at about F5.6 to F8. Therefore, in a single lens reflex interchangeable lens group, it is gradually difficult to maintain contrast in the vicinity of the Nyquist frequency on the open side where the MTF characteristics are poor as the image sensor is reduced. .

一方、一眼レフ系レンズは、通例F2.8〜F22程度まで絞り機構を備えているのが普通である。この場合、図18に示されるように、波動光学的な回折によるMTF低下の影響が絞り込むほど受けやすく、画素ピッチaが5μm/pixel以下となると、常用絞り値F2.8〜F11程度でも影響が甚大となりつつある。USP6,111,608によれば、周波数f(本/mm)に対してMTFは限界解像周波数1/(Fλ)まで直線的に低下し、それ以上は解像しない式で近似できる。
すなわち
MTF(f)=1−f・Fλ
ここにλ=0.54μm。ただし、k空間で表される周波数とはk=2πfの関係で結ばれている
On the other hand, a single-lens reflex lens is usually provided with a diaphragm mechanism up to about F2.8 to F22. In this case, as shown in FIG. 18, the influence of MTF reduction due to wave-optical diffraction is reduced, and the influence is reduced even when the aperture value is about F2.8 to F11 when the pixel pitch a is 5 μm / pixel or less. It is becoming enormous. According to USP 6,111,608, the MTF decreases linearly to the limit resolution frequency 1 / (Fλ) with respect to the frequency f (lines / mm), and can be approximated by an expression that does not resolve any more.
Ie
MTF (f) = 1−f · Fλ
Here, λ = 0.54 μm. However, it is connected with the frequency expressed in k space by the relationship of k = 2πf.

これを撮像素子の限界解像周波数f=1/(2a)との関係、及び光学ローパスフィルタの死滅周波数帯α/(2a)との関係を模式的に示したのが図33である。従って、ナイキスト周波数fが1/(Fλ)に近づくに従い、幾何光学的な収差が最も良いF8でも波動光学的にナイキスト周波数近辺の解像が保てなくなる。 FIG. 33 schematically shows the relationship between this and the limit resolution frequency f N = 1 / (2a) of the image sensor, and the kill frequency band α / (2a) of the optical low-pass filter. Thus, in accordance with approaching the Nyquist frequency f N is 1 / (F [lambda), resolution of geometrical optical aberration is most Any Good F8 wave optically Nyquist frequency around can not be maintained.

このように、焦点距離の観点から幾何光学的な収差による開放側F値でのMTF落ちという側面と、可変絞り機構の観点から波動光学的な大きいF値でのMTF落ちという側面の2面からレンズ光学系の画素ピッチ依存に対する影響を受けることになる。   As described above, from the viewpoint of MTF drop at the open side F value due to geometric optical aberration from the viewpoint of the focal length and from the side face of MTF drop at the wave optically large F value from the viewpoint of the variable aperture mechanism. This is influenced by the pixel pitch dependence of the lens optical system.

この2つの事実関係を数値的に表したのが図24、図25である。幾何光学的に最も収差の良いF8と波動光学的に最も性能の良い開放側F2.8とを比較すると、その幾何収差と波動光学的MTFの合成系のコントラストはF2.8とF8共に、ほぼ同時に画素ピッチ縮小化に伴ってコントラストが低下しているが、若干F8の方が落ち方が早い。   FIG. 24 and FIG. 25 represent the two facts numerically. Comparing F8, which has the best aberration in terms of geometric optics, with the open side F2.8, which has the best performance in terms of wave optics, the contrast of the combined system of geometric aberration and wave optics MTF is almost the same for both F2.8 and F8. At the same time, the contrast is reduced as the pixel pitch is reduced, but F8 is slightly faster.

この事実に対処するには、画素ピッチ縮小化に対してOLPF強度を弱めていくしか対処方法がない。すなわち、既存のレンズの光学性能を改善することは不可能である。   The only way to deal with this fact is to reduce the OLPF intensity to reduce the pixel pitch. That is, it is impossible to improve the optical performance of existing lenses.

前述の第1の実施の形態〜第4の実施の形態では、これら2つのうちのMTFの高い側で色モアレフリーになる条件を提示したが、光学ローパスフィルタ強度の決め方としてもう1つ別の決め方もある。すなわち、一眼レフレンズの大きな特徴である可変絞りに対して、それらに実質的な存在意義を持たせるためには、少なくとも常用範囲のF2.8〜F8の間でナイキスト周波数以上まで有限のコントラストを保つようにOLPFを弱めておく必要がある。   In the first to fourth embodiments described above, the condition that the color moiré is free on the higher MTF side of these two is presented. Another method for determining the optical low-pass filter intensity is another one. There is also a way to decide. That is, in order to make the variable diaphragms, which are a major feature of single-lens reflex lenses, have substantial significance, they maintain a finite contrast up to at least the Nyquist frequency between F2.8 and F8 in the normal range. Thus, it is necessary to weaken the OLPF.

画素ピッチ縮小化に対してコントラストの低下が速いのは、F8側であるので基準絞り値F8に対して、ナイキスト周波数で有限のMTFを常に保つように各画素ピッチに対するOLPF強度を定める。これは、F2.8側では多少の色モアレ発生を容認してでも常用F8までは最低限のレンズ解像を保証しようという考え方である。こうして、常用絞り値では最低限の鮮鋭感・ピント感を保った観賞に耐える画質を提供する。   Since the decrease in contrast is faster on the F8 side than the reduction in pixel pitch, the OLPF intensity for each pixel pitch is determined so as to always maintain a finite MTF at the Nyquist frequency with respect to the reference aperture value F8. This is the idea that even if some color moiré is allowed on the F2.8 side, the minimum lens resolution is guaranteed until the regular F8. In this way, it provides an image quality that can withstand viewing with the minimum sharpness and focus at the normal aperture value.

画像処理で色モアレフリーにできるコントラストは、本実施の形態で示した手法を用いた場合、第4の実施の形態の最後の所で述べたように、MTFが約0.1にまで低下した場合である。ただし、この値は画像処理手法に依存し、異色相関方向判定と色判定法及び色勾配判定法による適応的な色差補正がなされた場合は0.1という値を保証する。   When the method shown in this embodiment is used, the contrast that can make color moiré free by image processing decreases the MTF to about 0.1 as described at the end of the fourth embodiment. Is the case. However, this value depends on the image processing method, and a value of 0.1 is guaranteed when adaptive color difference correction is performed by the different color correlation direction determination and the color determination method and the color gradient determination method.

F8を基準絞り値とした場合の例にとると、レンズ限界解像周波数1/(Fλ)に対するナイキスト周波数1/(2a)の位置関係から、1)画素ピッチに依存せずに常に一定のOLPFをかける画素ピッチ領域(図34(a))、2)画素ピッチに依存させてOLPFの強度を弱める画素ピッチ領域(図34(b))、3)OLPFが全く不要になる画素ピッチ領域(図34(c))の3通りに分かれ、これを模式的に示した図が図34である。   Taking the example in which F8 is the reference aperture value, 1) the OLPF is always constant regardless of the pixel pitch from the positional relationship of the Nyquist frequency 1 / (2a) with respect to the lens limit resolution frequency 1 / (Fλ). 2) Pixel pitch region (FIG. 34 (a)) to be applied, 2) Pixel pitch region (FIG. 34 (b)) that weakens the intensity of the OLPF depending on the pixel pitch, 3) Pixel pitch region (FIG. 34) that does not require the OLPF at all 34 (c)) is divided into three types, and FIG. 34 schematically shows this.

F8のとき1/(Fλ)=1/(8×0.54μm)=230(本/mm)であるので、第1の区間はナイキスト周波数1/(2a)がその約1/3以下のときに該当する。すなわち、1/(2a)〜<1/(3(Fλ))=77(本/mm)の関係から、a>〜6.5μm/pixelである。また、第3の区間は、F8で最低限の解像MTF値Maを保つレンズの解像周波数をナイキスト周波数が超えた領域に相当する。すなわち
(1−Ma)/(Fλ)≦1/2a
左辺=(1−0.1)/(8×0.54μm)=208(本/mm)の関係からa≦2.4μmとなる。ここに左辺はMTF(f)=1−f・(Fλ)=Maを満たす周波数fの条件から求めた。
ただし、a≦2.4±0.5μm程度の誤差はつく。第2の区間は、第1の区間と第3の区間に挟まれた画素ピッチ領域である。
Since 1 / (Fλ) = 1 / (8 × 0.54 μm) = 230 (lines / mm) at the time of F8, the first interval is when the Nyquist frequency 1 / (2a) is about 1/3 or less. It corresponds to. That is, from the relationship of 1 / (2a) to <1 / (3 (Fλ)) = 77 (lines / mm), a> to 6.5 μm / pixel. The third section corresponds to a region where the Nyquist frequency exceeds the resolution frequency of the lens that maintains the minimum resolution MTF value Ma at F8. That is, (1-Ma) / (Fλ) ≦ 1 / 2a
From the relationship of the left side = (1-0.1) / (8 × 0.54 μm) = 208 (lines / mm), a ≦ 2.4 μm. Here, the left side is obtained from the condition of the frequency f satisfying MTF (f) = 1−f · (Fλ) = Ma.
However, an error of about a ≦ 2.4 ± 0.5 μm is added. The second section is a pixel pitch region sandwiched between the first section and the third section.

更に、6μm/pixel時におけるF8、133%hv型OLPF時のナイキスト周波数におけるMTFを実際に波動光学シミュレータを使って調べてみた。その結果、前述の幾何光学シミュレーションを行った良いレンズでも既に10%程度のMTFしか残っておらず、ピント感が出ないという課題が既に深刻な状況で始まっていることが実験的に確認された。更に、この時点でほぼ色モアレフリーの条件を達していることも確認された。   Furthermore, F8 at 6 μm / pixel and MTF at the Nyquist frequency at 133% hv type OLPF were actually examined using a wave optical simulator. As a result, it has been experimentally confirmed that the good lens that has been subjected to the above-described geometric optical simulation still has about 10% of MTF remaining, and the problem that the focus is not felt has already started in a serious situation. . Furthermore, it was confirmed that the condition of almost no color moire was reached at this point.

これは、図25のF2.8の幾何収差のみから求めた第4の実施の形態のOLPF強度の十分条件が120%hvであったのに対し、波動光学との合成系MTFでは更に弱くて済むことから、6μm/pixelでは、既にその強度の下限を133%hvにしてもよいことを意味している。すなわち、波動光学を用いた合成系MTFのPSFデータでは、第1〜第4の実施の形態で求めた十分条件の不等号の下限値を、全体的に更におよそ133/120≒1.1倍にシフトさせて設定しても良い可能性を示唆しているとも言える。参考のために、上記6μm/pixel、F8、133%hv、像高0mm、ベストピントのときの波動光学的シミュレーションでPSFをかけたCZPの信号断面図を図35に示しておく。CZPは徐々に高周波信号となるので、横軸の画素位置がそのまま周波数を表していると考えてよい。ちょうど133%のところでMTFが0%に落ちている様子も再現されている。   This is because the sufficient condition of the OLPF intensity of the fourth embodiment obtained from only the geometrical aberration of F2.8 in FIG. 25 is 120% hv, but is weaker in the synthesis system MTF with wave optics. Therefore, 6 μm / pixel means that the lower limit of the intensity may already be set to 133% hv. That is, in the PSF data of the synthesis system MTF using wave optics, the lower limit value of the inequality sign of the sufficient condition obtained in the first to fourth embodiments is further increased to approximately 133 / 120≈1.1 times as a whole. It can also be said that it suggests the possibility of shifting and setting. For reference, FIG. 35 shows a signal sectional view of CZP obtained by applying PSF in the wave optical simulation at the time of 6 μm / pixel, F8, 133% hv, image height 0 mm, and best focus. Since CZP gradually becomes a high-frequency signal, it can be considered that the pixel position on the horizontal axis directly represents the frequency. It is also reproduced that the MTF has dropped to 0% at just 133%.

(2)光学ローパスフィルタの説明で度々2枚構成と呼んだりしているのは、複屈折板が2枚使われて4点分離型にしているとの意味である。また、その間に(λ/4)板が挿入されて直線偏光を縮退した円偏光状態に直しているのが普通である。 (2) In the description of the optical low-pass filter, what is often referred to as a two-element configuration means that two birefringent plates are used to form a four-point separation type. Further, it is normal that a (λ / 4) plate is inserted between them to restore a circularly polarized state in which linearly polarized light is degenerated.

(3)これまでに画質面で色モアレフリーと呼んできたのは、無彩色画像のサーキュラーゾーンプレート・チャートで達成しうるとの意味であり、ベイヤ配列で有彩色部まで含めた本当の意味での完全な色モアレ・フリーについては50%hvのOLPFを追加的に入れない限り不可能である。輝度解像を残す観点からGの密度の多いBayer配列に対して密度の低いR,B成分に偽色対策のOLPFの照準を合わせることはBayer配列を採用することに対して自己否定することにつながり、現実カラーフィルタ配列を採用する限り、有彩色部を含めた色モアレ・フリーになることはあり得ない。しかし、提案するOLPFでは従来に比べ、大部分でそれを達成するであろうことの意味で色モアレ・フリーという言葉を用いている。 (3) What has been called color moiré-free in terms of image quality so far means that it can be achieved with circular zone plate charts of achromatic images, and the true meaning of including chromatic parts in a Bayer array Full color moire free at is impossible unless you add 50% hv OLPF. From the standpoint of leaving luminance resolution, matching the low-density R and B components to the low-density R and B components for the G-density Bayer array is a self-denial against adopting the Bayer array. As long as the actual color filter arrangement is used, it is impossible to make the color moire free including the chromatic color portion. However, the proposed OLPF uses the term color moire free in the sense that it will be achieved for the most part.

(4)画素配列が正方格子ではなく矩形格子の場合、実空間の基本格子ベクトル(a,0),(0,b)に対して、斜め2方向の141%dd型は、((1/2)a,±(1/2)b)のように光線分離のずらし方を変えればよいだけである。 (4) When the pixel array is not a square lattice but a rectangular lattice, the 141% dd type in two diagonal directions is ((1 /) with respect to the basic lattice vector (a, 0), (0, b) in real space. 2) It is only necessary to change the way of separating the rays as in a, ± (1/2) b).

(5)カラーフィルタ配列がベイヤ配列ではなく、例えば正方格子のベイヤ配列の画素を、カラーフィルタの位置はそのままで画素を右と左のサブピクセル構造に2分割した場合、水平方向の限界解像域は第1ブリルアンゾーンではなく第2ブリルアンゾーンまで広がるので、鮮鋭感の指標を算出するときは|kx|≦2π/a, |ky|≦π/aの範囲で積分すればよいことになる。 (5) If the color filter array is not a Bayer array, for example, pixels in a square lattice Bayer array are divided into two subpixel structures, the right and left, without changing the position of the color filter, the limit resolution in the horizontal direction Since the region extends to the second Brillouin zone instead of the first Brillouin zone, when calculating the sharpness index, it is only necessary to integrate in the range of | kx | ≦ 2π / a, | ky | ≦ π / a .

(6)以上の議論は、他のフィルタ配列、例えばBayer配列を45度回転しただけの、いわゆるハニカム配列と呼ばれたりしているものに対しても同様のことがいえる。 (6) The above discussion can be applied to other filter arrays, for example, what is called a honeycomb array obtained by rotating a Bayer array by 45 degrees.

(7)上記実施の形態では、補間処理はパーソナルコンピュータ10で行う例を示した。しかし、この補間処理をデジタルカメラ1内で処理をするようにしてもよい。その場合は、画像処理部5で行うのが好ましい。 (7) In the above embodiment, the example in which the interpolation process is performed by the personal computer 10 has been described. However, this interpolation process may be performed in the digital camera 1. In that case, the image processing unit 5 is preferable.

(8)上記実施の形態では、デジタルカメラ1は一眼レフデジタルカメラであり、撮影レンズ2は交換可能な交換レンズである例を説明した。しかし、デジタルカメラ1がレンズ一体型のコンパクトデジタルカメラであって、撮影レンズ2はデジタルカメラ1に固定であってもよい。 (8) In the above embodiment, an example has been described in which the digital camera 1 is a single-lens reflex digital camera and the photographing lens 2 is an interchangeable interchangeable lens. However, the digital camera 1 may be a lens-integrated compact digital camera, and the photographing lens 2 may be fixed to the digital camera 1.

(9)上記実施の形態では、カラーフィルタ配列は最も代表的なベイヤ配列(画素ピッチaの正方配列)を例にとった説明をした。しかし、前述したように他の配列のカラーフィルタであってもよい。例えば、ベイヤ配列以外にR,G,Bを補色Cy、Mg、Yeに置き換えたものや、ベイヤを45°回しただけのハニカム配列にも本発明は適用可能である。また、ベイヤ配列のR:G:B=1:2:1の比率から少しだけ色配分比率がずれた、US5541653号公報に記載されているR:G:B=6:8:2(US5541653号公報のFig.5)、R:G:B=7:8:1(US5541653号公報のFig.4)、のようなものも基本的にブリルアンゾーンの形が大きく変わらないので、同じOLPF構成のまま、画素ピッチ依存に対して同じαの値を用いることになる。 (9) In the above embodiment, the color filter array has been described taking the most typical Bayer array (square array of pixel pitch a) as an example. However, as described above, color filters in other arrangements may be used. For example, in addition to the Bayer array, the present invention can be applied to a structure in which R, G, and B are replaced with complementary colors Cy, Mg, and Ye, and a honeycomb array in which the Bayer is only rotated 45 °. Also, R: G: B = 6: 8: 2 (US Pat. No. 5,541,653) described in US Pat. No. 5,541,653, in which the color distribution ratio is slightly shifted from the ratio of R: G: B = 1: 2: 1 in the Bayer array. Fig. 5), R: G: B = 7: 8: 1 (Fig. 4 of US Pat. No. 5,541,653) basically has the same OLPF configuration because the shape of the Brillouin zone is not largely changed. The same α value is used for the pixel pitch dependence.

なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、本発明は、上述した実施の形態における構成に何ら限定されない。   Note that the present invention is not limited to the configurations in the above-described embodiments as long as the characteristic functions of the present invention are not impaired.

Bayer配列におけるサンプリング信号が持つ周波数解像域、すなわち第一ブリルアンゾーンの作図示す図である。It is a figure which shows construction of the frequency resolution area which the sampling signal in a Bayer arrangement has, ie, the 1st Brillouin zone. ナイキスト周波数近辺で偽色、偽解像のエイリアジングが発生する様子を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically a mode that false color and false resolution aliasing generate | occur | produce in the Nyquist frequency vicinity. Bayer配列で無彩色CZP画像を撮影したときに現れる偽色の極点を分類した例を示す図である。It is a figure which shows the example which classified the false-colored extreme point which appears when an achromatic CZP image was image | photographed by the Bayer arrangement | sequence. 複屈折板を用いて一本の光線を2本の50%ずつの強度を持つ光に分離する手法を示す図である。It is a figure which shows the method of isolate | separating one light beam into the light with an intensity | strength of 50% of each two using a birefringent plate. 第一の形態の光学ローパスフィルタの便宜表示と光線分離のずらし量(光線シフト量)の代表的な例の一覧を示す図である。It is a figure which shows the list | wrist of the typical example of the convenience display of the optical low-pass filter of a 1st form, and the shift amount (light ray shift amount) of a light beam separation. 133%hvの場合の対応k空間図と実空間変位式を示す図である。It is a figure which shows a corresponding k space figure in the case of 133% hv, and a real space displacement type | formula. 第2の形態の光学ローパスフィルタの便宜表示と光線分離のずらし量(光線シフト量)の代表的な例の一覧を示す図である。It is a figure which shows the list | wrist of the typical example of the convenience display of the optical low-pass filter of a 2nd form, and the shift amount (light beam shift amount) of a light beam separation. 141%ddの場合の対応k空間図と実空間変位式を示す図である。It is a figure which shows the corresponding k space figure and real space displacement type | formula in the case of 141% dd. 第3の形態の光学ローパスフィルタの便宜表示と光線分離のずらし量(光線シフト量)の代表的な例の一覧を示す図である。It is a figure which shows the list | wrist of the typical example of the convenience display of the optical low-pass filter of a 3rd form, and the shift amount (light beam shift amount) of a light beam separation. 100%vの場合の対応k空間図と実空間変位式を示す図である。It is a figure which shows a corresponding | compatible k space figure and real space displacement type | formula in the case of 100% v. 鮮鋭感の指標を光学ローパスフィルタの強度αの関数として表したグラフを示す図である。It is a figure which shows the graph which represented the parameter | index of a sharp feeling as a function of the intensity | strength (alpha) of an optical low-pass filter. 鮮鋭感指標の代表的な値をまとめた表を示す図である。It is a figure which shows the table | surface which put together the typical value of the sharpness index. 異色相関を用いた場合のデモザイキング・アルゴリズムで、絞り値F8とF2.8の2通りについて色モアレ・偽解像フリーになる条件を画素ピッチ依存性に関して示した図である。FIG. 10 is a diagram showing pixel pitch dependency in terms of pixel moire / false resolution free conditions for two types of aperture values F8 and F2.8 in a demosaicing algorithm using different color correlation. 従来の同色相関を用いた場合のデモザイキング・アルゴリズムで図13に対応するF値による変化が見られるかどうかを検証したグラフを示す図である。It is a figure which shows the graph which verified whether the change by the F value corresponding to FIG. 13 was seen with the demosaicing algorithm at the time of using the conventional same color correlation. 異色相関を用いた場合のデモザイキング・アルゴリズムで、縦1枚型の光学ローパスフィルタの場合の、絞り値F8とF2.8の2通りについて色モアレ・偽解像フリーになる条件を画素ピッチ依存性に関して示した図である。Depends on pixel pitch in the demosaicing algorithm when using different color correlation, the conditions for becoming free of color moire and false resolution for two aperture values F8 and F2.8 in the case of a single vertical optical low-pass filter It is the figure shown regarding sex. 異色相関を用いたアルゴリズムで像高依存性を調べたグラフを示す図である。It is a figure which shows the graph which investigated image height dependence with the algorithm using different color correlation. 異色相関を用いたアルゴリズムでデフォーカス依存性を調べたグラフを示す図である。It is a figure which shows the graph which investigated the defocus dependence with the algorithm using different color correlation. 無収差レンズにおける波動光学的MTFを示す図である。It is a figure which shows the wave optical MTF in an aberration lens. 画素ピッチとナイキスト周波数の代表的な値の対応関係の表を示す図である。It is a figure which shows the table | surface of the correspondence of the typical value of a pixel pitch and a Nyquist frequency. 無収差レンズにおける波動光学的MTFを絞り値F8とF2.8に関して、画素ピッチ依存性に関するコントラストの関数を表すものとして描いた図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a wave optical MTF in an aberration lens as a function of contrast with respect to pixel pitch dependency with respect to aperture values F8 and F2.8. レンズ光学系を介さずに作成した光学ローパスフィルタに入射する前のサーキュラーゾーンプレート・チャートの信号触れ幅に対し、レンズ光学系のポイント・スプレッド関数でフィルタリングした後の画像でその信号振れ幅の観測している様子を示す図である。Observe the signal fluctuation width in the image after filtering with the point spread function of the lens optical system against the signal touch width of the circular zone plate chart before entering the optical low-pass filter created without going through the lens optical system It is a figure which shows a mode that it is doing. 幾何光学な収差によるコントラストを示す図である。It is a figure which shows the contrast by geometric optical aberration. 幾何光学な収差によるコントラストと無収差系の波動光学的なMTFのコントラストの合成系のコントラストをプロットした様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that the contrast of the synthesizing | combining system of the contrast by geometric optical aberration and the contrast of the wave optical MTF of a non-aberration system was plotted. 図20、図22、図23のコントラストの値を表にまとめた図である(F8の場合)。FIG. 24 is a table in which the contrast values of FIGS. 20, 22, and 23 are summarized in a table (in the case of F8). 図20、図22、図23のコントラストの値を表にまとめた図である(F2.8の場合)。FIG. 24 is a table in which the contrast values in FIGS. 20, 22, and 23 are summarized in a table (in the case of F2.8). 第1の実施の形態のカメラシステム100の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the camera system 100 of 1st Embodiment. 第1の実施の形態の光学ローパスフィルタの最適構成を示す図である。It is a figure which shows the optimal structure of the optical low-pass filter of 1st Embodiment. 第2の実施の形態の光学ローパスフィルタの最適構成を示す図である。It is a figure which shows the optimal structure of the optical low-pass filter of 2nd Embodiment. 第3の実施の形態の光学ローパスフィルタの最適構成を示す図である。It is a figure which shows the optimal structure of the optical low-pass filter of 3rd Embodiment. 第1の実施の形態〜第3の実施の形態の各光学ローパスフィルタの構成を採ったときのそれが与える鮮鋭感指標を比較した図である。It is the figure which compared the sharpness index | index which it gives when taking the structure of each optical low-pass filter of 1st Embodiment-3rd Embodiment. 第4の実施の形態の光学ローパスフィルタの最適構成を示す図である。It is a figure which shows the optimal structure of the optical low-pass filter of 4th Embodiment. カラーフィルタのベイア配列を示す図である。It is a figure which shows the Bayer arrangement | sequence of a color filter. 撮像素子の限界解像周波数f=1/(2a)との関係、及び光学ローパスフィルタの死滅周波数帯α/(2a)との関係を模式的に示した図である。Relationship between the resolution limit frequency f N = 1 / (2a) of the image pickup element, and a diagram schematically showing the relationship between the dead band α / (2a) of the optical low-pass filter. F8を基準絞り値とした場合の、レンズ限界解像周波数1/(Fλ)に対するナイキスト周波数1/(2a)の位置関係から、3通りの画素ピッチ領域を模式的に示した図である。FIG. 6 is a diagram schematically showing three pixel pitch regions from the positional relationship of Nyquist frequency 1 / (2a) with respect to lens limit resolution frequency 1 / (Fλ) when F8 is a reference aperture value. 6μm/pixel、F8、133%hv、像高0mm、ベストピントのときの波動光学的シミュレーションでPSFをかけたCZPの信号断面図を示す図である。It is a figure which shows the signal sectional drawing of CZP which applied PSF by the wave optical simulation at the time of 6 micrometers / pixel, F8, 133% hv, image height 0mm, and a best focus.

符号の説明Explanation of symbols

1 デジタルカメラ
2 撮影レンズ
3 光学ローパスフィルタ
4 撮像素子
5 画像処理部
6 制御部
7 絞り
10 パーソナルコンピュータ
20 メモリカード
30 ケーブル
100 カメラシステム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Digital camera 2 Shooting lens 3 Optical low-pass filter 4 Image pick-up element 5 Image processing part 6 Control part 7 Aperture 10 Personal computer 20 Memory card 30 Cable 100 Camera system

Claims (23)

撮像面に被写体の像を結像するレンズ部と、
互いに直交するx,yの2方向に画素間隔(a,b)で格子状に配列された画素の各々に第1〜第n(n≧2)の色成分の内、第1の色成分が少なくとも市松状に半分の密度を占め、他の色成分が残りの画素を占めているカラーフィルタが配置され、前記被写体像の画像信号を出力する撮像素子と、
前記レンズ部を通過した光が前記撮像素子に入射する前に、(x,y) 座標軸に対して斜め2方向((1/2)a,(1/2)b)x(√2/α)及び((1/2)a,−(1/2)b)x(√2/α)への光線分離を行って、前記撮像素子のx方向のナイキスト周波数1/(2a)及びy方向のナイキスト周波数1/(2b)に対してα倍の位置の空間周波数(α/(2a),0)と(0,α/(2b))を結ぶ帯域を死滅させる前記被写体像の周波数変調を行う光学ローパスフィルタ部とを備え、
前記撮像素子の画素間隔(a,b)が共に2.5〜5μm/pixelの範囲にあるとき、前記光学ローパスフィルタの死滅周波数帯域の位置を、前記撮像素子のナイキスト周波数に対して1.5≦α≦3.5倍の範囲に設定することを特徴とするデジタルカメラ。
A lens unit that forms an image of a subject on the imaging surface;
Of the first to nth (n ≧ 2) color components, the first color component is included in each of the pixels arranged in a grid pattern with pixel intervals (a, b) in two directions x and y orthogonal to each other. An image sensor that occupies at least half the density in a checkered pattern and other color components occupy the remaining pixels is arranged, and outputs an image signal of the subject image;
Before the light that has passed through the lens unit enters the image sensor, it is inclined in two directions ((1/2) a, (1/2) b) x (√2 / α) with respect to the (x, y) coordinate axis. ) And ((1/2) a,-(1/2) b) x (√2 / α), the Nyquist frequency in the x direction of the image sensor 1 / (2a) and y direction Frequency modulation of the subject image to kill the band connecting the spatial frequencies (α / (2a), 0) and (0, α / (2b)) that are α times the Nyquist frequency 1 / (2b) of An optical low-pass filter unit to perform,
When the pixel interval (a, b) of the image sensor is in the range of 2.5 to 5 μm / pixel, the position of the dead frequency band of the optical low-pass filter is 1.5 with respect to the Nyquist frequency of the image sensor. A digital camera characterized in that the range is set to ≦ α ≦ 3.5 times.
請求項1に記載のデジタルカメラにおいて、
前記撮像素子の画素間隔(a,b)が5±0.5μm/pixelのとき、前記光学ローパスフィルタの死滅周波帯域の位置を1.5≦α≦1.9倍の範囲に設定することを特徴とするデジタルカメラ。
The digital camera according to claim 1, wherein
When the pixel interval (a, b) of the image sensor is 5 ± 0.5 μm / pixel, the position of the dead frequency band of the optical low-pass filter is set to a range of 1.5 ≦ α ≦ 1.9 times. A featured digital camera.
請求項1または2に記載のデジタルカメラにおいて、
前記撮像素子の画素間隔(a,b)が4±0.5μm/pixelのとき、前記光学ローパスフィルタの死滅周波帯域の位置を1.9≦α≦2.83倍の範囲に設定することを特徴とするデジタルカメラ。
The digital camera according to claim 1 or 2,
When the pixel interval (a, b) of the image sensor is 4 ± 0.5 μm / pixel, the position of the dead frequency band of the optical low-pass filter is set to a range of 1.9 ≦ α ≦ 2.83 times. A featured digital camera.
請求項1から3の何れか一項に記載のデジタルカメラにおいて、
前記撮像素子の画素間隔(a,b)が3±0.5μm/pixelのとき、前記光学ローパスフィルタの死滅周波帯域の位置を2.83≦α≦3.5倍の範囲に設定することを特徴とするデジタルカメラ。
The digital camera according to any one of claims 1 to 3,
When the pixel interval (a, b) of the image sensor is 3 ± 0.5 μm / pixel, the position of the dead frequency band of the optical low-pass filter is set to a range of 2.83 ≦ α ≦ 3.5 times. A featured digital camera.
撮像面に被写体の像を結像するレンズ部と、
互いに直交するx,yの2方向に画素間隔(a,b)で格子状に配列された画素の各々に第1〜第n(n≧2)の色成分の内、第1の色成分が少なくとも市松状に半分の密度を占め、他の色成分が残りの画素を占めているカラーフィルタが配置され、前記被写体像の画像信号を出力する撮像素子と、
前記レンズ部を通過した光が前記撮像素子に入射する前に、(x,y) 座標軸に対して垂直一方向(0,b/α)への光線分離を行って、前記撮像素子のy方向のナイキスト周波数1/(2b)に対してα倍の位置の空間周波数α/(2b)の帯域を死滅させる前記被写体像の周波数変調を行う光学ローパスフィルタ部とを備え、
前記撮像素子の画素間隔(a,b)が共に2.5〜5μm/pixelの範囲にあるとき、前記光学ローパスフィルタの死滅周波数帯域の位置を、前記撮像素子のナイキスト周波数に対して1.1≦α≦2.0倍の範囲に設定することを特徴とするデジタルカメラ。
A lens unit that forms an image of a subject on the imaging surface;
Of the first to nth (n ≧ 2) color components, the first color component is included in each of the pixels arranged in a grid pattern with pixel intervals (a, b) in two directions x and y orthogonal to each other. An image sensor that occupies at least half the density in a checkered pattern and other color components occupy the remaining pixels is arranged, and outputs an image signal of the subject image;
Before the light that has passed through the lens unit enters the image sensor, light separation in one direction (0, b / α) perpendicular to the (x, y) coordinate axis is performed, and the y direction of the image sensor An optical low-pass filter unit that performs frequency modulation of the subject image to kill the band of the spatial frequency α / (2b) at a position α times the Nyquist frequency 1 / (2b) of
When the pixel interval (a, b) of the image sensor is in the range of 2.5 to 5 μm / pixel, the position of the extinction frequency band of the optical low-pass filter is 1.1 with respect to the Nyquist frequency of the image sensor. A digital camera that is set in a range of ≦ α ≦ 2.0 times.
請求項5に記載のデジタルカメラにおいて、
前記撮像素子の画素間隔(a,b)が5±0.5μm/pixelのとき、前記光学ローパスフィルタの死滅周波帯域の位置を1.1≦α≦1.33倍の範囲に設定することを特徴とするデジタルカメラ。
The digital camera according to claim 5, wherein
When the pixel interval (a, b) of the image sensor is 5 ± 0.5 μm / pixel, the position of the dead frequency band of the optical low-pass filter is set to a range of 1.1 ≦ α ≦ 1.33 times. A featured digital camera.
請求項5または6に記載のデジタルカメラにおいて、
前記撮像素子の画素間隔(a,b)が4±0.5μm/pixelのとき、前記光学ローパスフィルタの死滅周波帯域の位置を1.33≦α≦1.67倍の範囲に設定することを特徴とするデジタルカメラ。
The digital camera according to claim 5 or 6,
When the pixel interval (a, b) of the image sensor is 4 ± 0.5 μm / pixel, the position of the dead frequency band of the optical low-pass filter is set to a range of 1.33 ≦ α ≦ 1.67 times. A featured digital camera.
請求項5から7の何れか一項に記載のデジタルカメラにおいて、
前記撮像素子の画素間隔(a,b)が3±0.5μm/pixelのとき、前記光学ローパスフィルタの死滅周波帯域の位置を1.67≦α≦2.0倍の範囲に設定することを特徴とするデジタルカメラ。
The digital camera according to any one of claims 5 to 7,
When the pixel interval (a, b) of the image sensor is 3 ± 0.5 μm / pixel, the position of the dead frequency band of the optical low-pass filter is set to a range of 1.67 ≦ α ≦ 2.0 times. A featured digital camera.
撮像面に被写体の像を結像するレンズ部と、
互いに直交するx,yの2方向に画素間隔(a,b)で格子状に配列された画素の各々に第1〜第n(n≧2)の色成分の内、第1の色成分が少なくとも市松状に半分の密度を占め、他の色成分が残りの画素を占めているカラーフィルタが配置され、前記被写体像の画像信号を出力する撮像素子と、
前記レンズ部を通過した光が前記撮像素子に入射する前に、(x,y)座標軸に対して縦・横2方向(a/α,0)及び(0,b/α)への光線分離を行って、前記撮像素子のx方向のナイキスト周波数1/(2a)及びy方向のナイキスト周波数1/(2b)に対してα倍の位置の空間周波数(α/(2a),0)と(0,α/(2b))のそれぞれの帯域を死滅させる前記被写体像の周波数変調を行う光学ローパスフィルタ部とを備え、
前記撮像素子の画素間隔(a,b)が共に2.5〜4μm/pixelの範囲にあるとき、前記光学ローパスフィルタの死滅周波数帯域の位置を、前記撮像素子のナイキスト周波数に対して1.45≦α≦2.5倍の範囲に設定することを特徴とするデジタルカメラ。
A lens unit that forms an image of a subject on the imaging surface;
Of the first to nth (n ≧ 2) color components, the first color component is included in each of the pixels arranged in a grid pattern with pixel intervals (a, b) in two directions x and y orthogonal to each other. An image sensor that occupies at least half the density in a checkered pattern and other color components occupy the remaining pixels is arranged, and outputs an image signal of the subject image;
Before the light that has passed through the lens unit enters the image sensor, the light beam is separated into two directions (a / α, 0) and (0, b / α) with respect to the (x, y) coordinate axis. And the spatial frequency (α / (2a), 0) at a position α times the Nyquist frequency 1 / (2a) in the x direction and the Nyquist frequency 1 / (2b) in the y direction An optical low-pass filter unit that performs frequency modulation of the subject image to kill each band of 0, α / (2b)),
When the pixel interval (a, b) of the image sensor is in the range of 2.5 to 4 μm / pixel, the position of the dead frequency band of the optical low-pass filter is 1.45 with respect to the Nyquist frequency of the image sensor. A digital camera characterized in that the range is set to ≦ α ≦ 2.5 times.
請求項9に記載のデジタルカメラにおいて、
前記撮像素子の画素間隔(a,b)が4±0.5μm/pixelのとき、前記光学ローパスフィルタの死滅周波帯域の位置を1.45≦α≦2.0倍の範囲に設定することを特徴とするデジタルカメラ。
The digital camera according to claim 9, wherein
When the pixel interval (a, b) of the image sensor is 4 ± 0.5 μm / pixel, the position of the dead frequency band of the optical low-pass filter is set to a range of 1.45 ≦ α ≦ 2.0 times. A featured digital camera.
請求項9または10に記載のデジタルカメラにおいて、
前記撮像素子の画素間隔(a,b)が3±0.5μm/pixelのとき、前記光学ローパスフィルタの死滅周波帯域の位置を2.0≦α≦2.5倍の範囲に設定することを特徴とするデジタルカメラ。
The digital camera according to claim 9 or 10,
When the pixel interval (a, b) of the image sensor is 3 ± 0.5 μm / pixel, the position of the extinction frequency band of the optical low-pass filter is set to a range of 2.0 ≦ α ≦ 2.5 times. A featured digital camera.
請求項1,5,9の何れか一項に記載のデジタルカメラにおいて、
前記レンズ部は、開放絞り値が少なくともF2.8以上の明るさを備え、開放絞り値から少なくともF8以上にまで可変に絞りを制御できる絞り機構をさらに備えたことを特徴とするデジタルカメラ。
The digital camera according to any one of claims 1, 5, and 9,
The digital camera according to claim 1, wherein the lens unit further includes an aperture mechanism having a brightness with an open aperture value of at least F2.8 or more and capable of variably controlling the aperture from the open aperture value to at least F8 or more.
請求項12に記載のデジタルカメラにおいて、
前記レンズ部は、50mm〜200mmの間の焦点距離を少なくとも1つ有することを特徴とするデジタルカメラ。
The digital camera according to claim 12, wherein
The digital camera according to claim 1, wherein the lens unit has at least one focal length between 50 mm and 200 mm.
請求項12に記載のデジタルカメラにおいて、
前記レンズ部は、複数の種類のレンズと交換可能なレンズ部であることを特徴とするデジタルカメラ。
The digital camera according to claim 12, wherein
The digital camera according to claim 1, wherein the lens unit is a lens unit exchangeable with a plurality of types of lenses.
請求項14に記載のデジタルカメラにおいて、
前記レンズ部は、フィルムカメラとデジタルカメラに共通に使用可能な交換レンズ群を装着可能なレンズ部であることを特徴とするデジタルカメラ。
The digital camera according to claim 14, wherein
2. The digital camera according to claim 1, wherein the lens unit is a lens unit to which an interchangeable lens group that can be used in common for a film camera and a digital camera can be mounted.
請求項1,5,9の何れか一項に記載のデジタルカメラにおいて、
前記撮像素子は、35mmx24mm、23.4mmx16.7mm、18mmx13.5mm、ないしはそれらの間の何れかの大きさの撮像素子を備えることを特徴とするデジタルカメラ。
The digital camera according to any one of claims 1, 5, and 9,
The digital imaging device includes an imaging device having a size of 35 mm × 24 mm, 23.4 mm × 16.7 mm, 18 mm × 13.5 mm, or any size therebetween.
請求項1,5,9の何れか一項に記載のデジタルカメラにおいて、
前記撮像素子は、緑色成分が市松状に半分の密度を占め、赤色と青色成分が残りの画素に均等に配置されているカラーフィルタが配置された撮像素子を用いることを特徴とするデジタルカメラ。
The digital camera according to any one of claims 1, 5, and 9,
A digital camera using an image sensor in which a color filter in which a green component occupies a half density in a checkered pattern and a red and blue component is arranged uniformly in the remaining pixels is used as the image sensor.
請求項1,5,9の何れか一項に記載のデジタルカメラにおいて、
前記撮像素子から出力された画像信号に対し、少なくともx軸とy軸の2方向に関して、互いに最小画素間隔で存在し合う異なる色成分間の色信号を用いてナイキスト周波数領域の分解能を備えた異色間類似度を算出し、前記異色間類似度に基づいて類似性の強い方向を判定し、前記類似性判定結果に基づいて、各々の画素に少なくとも1つの共通する色成分の色信号を生成する画像処理部をさらに備えたことを特徴とするデジタルカメラ。
The digital camera according to any one of claims 1, 5, and 9,
Different colors having resolution in the Nyquist frequency region by using color signals between different color components existing at minimum pixel intervals in at least two directions of the x-axis and y-axis with respect to the image signal output from the image sensor The similarity between the different colors is calculated, the direction of strong similarity is determined based on the similarity between the different colors, and the color signal of at least one common color component is generated for each pixel based on the similarity determination result A digital camera further comprising an image processing unit.
請求項18に記載のデジタルカメラにおいて、
前記画像処理部は、前記類似性判定結果に基づいて色差成分を生成し、前記生成された色差成分に対して各々の画素毎に適応的な平滑化処理を行って前記各々の画素に少なくとも1つの共通する色成分を生成することを特徴とするデジタルカメラ。
The digital camera according to claim 18, wherein
The image processing unit generates a chrominance component based on the similarity determination result, performs adaptive smoothing processing for each pixel on the generated chrominance component, and applies at least one to each pixel. A digital camera that generates two common color components.
請求項18または19に記載のデジタルカメラにおいて、
前記画像処理部は、前記撮像素子から出力される静止画について処理を行うことを特徴とするデジタルカメラ。
The digital camera according to claim 18 or 19,
The digital camera according to claim 1, wherein the image processing unit performs processing on a still image output from the imaging device.
デジタルカメラシステムであって、
請求項1,5,9の何れか一項に記載のデジタルカメラと、
前記デジタルカメラの撮像素子から出力された画像信号に対し、少なくともx軸とy軸の2方向に関して、互いに最小画素間隔で存在し合う異なる色成分間の色信号を用いてナイキスト周波数領域の分解能を備えた異色間類似度を算出し、前記異色間類似度に基づいて類似性の強い方向を判定し、前記類似性判定結果に基づいて、各々の画素に少なくとも1つの共通する色成分の色信号を生成する画像処理部とを備えたことを特徴とするデジタルカメラシステム。
A digital camera system,
The digital camera according to any one of claims 1, 5, and 9,
The resolution of the Nyquist frequency region is obtained by using color signals between different color components that exist at a minimum pixel interval in at least two directions of the x-axis and the y-axis with respect to the image signal output from the image sensor of the digital camera. The similarity between the different colors provided is calculated, the direction of strong similarity is determined based on the similarity between the different colors, and the color signal of at least one common color component for each pixel based on the similarity determination result An image processing unit for generating
請求項21に記載のデジタルカメラシステムにおいて、
前記画像処理部は、前記類似性判定結果に基づいて色差成分を生成し、前記生成された色差成分に対して各々の画素毎に適応的な平滑化処理を行って前記各々の画素に少なくとも1つの共通する色成分を生成することを特徴とするデジタルカメラシステム。
The digital camera system according to claim 21, wherein
The image processing unit generates a chrominance component based on the similarity determination result, performs adaptive smoothing processing for each pixel on the generated chrominance component, and applies at least one to each pixel. A digital camera system that generates two common color components.
請求項22または23に記載のデジタルカメラシステムにおいて、
前記画像処理部は、前記撮像素子から出力される静止画について処理を行うことを特徴とするデジタルカメラシステム。
24. The digital camera system according to claim 22 or 23.
The digital camera system, wherein the image processing unit performs processing on a still image output from the imaging device.
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