JP2011008045A - 撮像装置および撮像システム - Google Patents

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理子 朝倉
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Abstract

【課題】
画像回復処理に合わせた特性を有する光学系を備えた撮像装置、撮像システムを提供することで、効果的な画像回復処理を実現する。
【解決手段】
撮像素子１２と、撮像素子１２に被写体の像を結像する光学系１１と、撮像素子１２が出力する観測画像に対して画像処理を実行する画像処理手段１４を有し、光学系１１は、撮像素子１２の設置位置およびその前後の所定距離において略一定なＭＴＦを有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、デジタルカメラなどの各種撮像装置、または撮像装置と外部装置にて構成される撮像システムに関するものであり、特に、撮像した画像に対して実行される画像復元処理に適した光学系を有する撮像装置および撮像システムに関するものである。
従来より、光学系を通して集光した被写体の像をＣＣＤ等の撮像素子に投影し、撮像を行う各種撮像装置が知られている。このような撮像装置においては、撮像して得られた画像に対して、所定の特性を有するフィルタにて加工する各種画像処理が行われることが一般的である。
このような、画像処理を可能とする撮像装置として、特許文献１には、光学系と、撮像素子と、変換手段と、信号処理手段とを備え、第１フィルタと第２フィルタを用いる撮像装置が開示されている。光学系は、合焦位置およびその前後の距離において焦点のボケ量が略一定となるように形成されている。撮像素子は、光学系によって結像された被写体像を撮像する。変換手段は、撮像素子から得た画像における焦点のボケを補正して、復元した画像を生成する。信号処理手段は、画像信号に所定の画像処理を行う。また、第１フィルタは、静止画撮影モード時に、変換手段の画像復元処理のために用いられる。第２フィルタは、動画撮影モード時、またはスルー画像表示時に、変換手段の画像復元処理のために用いられる。
この特許文献１の開示によれば、動画撮影モード時やスルー画像表示時において第２フィルタを用いた簡易な画像復元処理を行うこができる。そして、これにより、高価な変換手段を必要することなく光学系を簡単化できるので、コスト低減を図ることができる。また、復元画像を劣化させることのない撮像装置を提供することができる。
特開２００８−０１１４９２号公報
特許文献１では、画像における焦点のボケを補正して画像を復元している。しかしながら、復元した画像における解像は十分とはいえなかった。
本発明は、復元した画像において解像が十分得られ、また、焦点深度が拡大した画像を簡単に得ることを課題とするものである。
上述の課題を解決するために、本発明の撮像装置、及び、撮像システムは以下の何れかとするものである。
本発明の撮像装置の第１の構成は、撮像素子と、前記撮像素子に被写体の像を結像する光学系と、前記撮像素子が出力する観測画像に対して画像処理を実行する画像処理手段を有し、前記光学系は、前記撮像素子の設置位置およびその前後の所定距離において略一定なＭＴＦを有することを特徴とするものである。
本発明の撮像装置の第２の構成は、第１の構成において、前記略一定なＭＴＦは、条件式（１）を満足する空間周波数を有することを特徴とするものである。
ν＝１／（２×Ｐ×Ａ）、１＜Ａ＜２０ …（１）
ただし、ν：空間周波数、Ｐ：撮像素子の画素ピッチである。
本発明の撮像装置の第３の構成は、第１の構成において、前記略一定なＭＴＦは、条件式（２）を満足する空間周波数を有することを特徴とするものである。
ν＝１／（２×Ｐ×Ａ）、２＜Ａ＜８ …（２）
ただし、ν：空間周波数、Ｐ：撮像素子の画素ピッチである。
本発明の撮像装置の第４の構成は、第１の構成において、前記略一定なＭＴＦは、条件式（３）を満足する空間周波数を有することを特徴とするものである。
０．００１＜ν／Ｎ＜３ …（３）
ただし、ν：空間周波数、Ｎ：撮像素子一辺の画素数である。
また、この撮像装置の第１〜第４の構成に、以下に記載する何れかの構成を同時に満足することがより好ましい。
本発明の撮像装置の第５の構成は、第１から第４の何れかの撮像装置において、前記光学系は、開放Ｆナンバーにおいて、前記略一定なＭＴＦを有することを特徴とするものである。
本発明の撮像装置の第６の構成は、第１から第５の何れかの撮像装置において、前記略一定なＭＴＦは、コントラストが０にならない範囲で他の空間周波数のＭＴＦと交差することを特徴とするものである。
本発明の撮像装置の第７の構成は、第６の撮像装置において、前記略一定なＭＴＦは、他の空間周波数のＭＴＦと１０％以下の位置で交差することを特徴とするものである。
本発明の撮像装置の第８の構成は、第１から第７の何れかの撮像装置において、前記光学系の球面収差特性が、ピークを有することを特徴とするものである。
本発明の撮像装置の第９の構成は、第８の撮像装置において、前記光学系の球面収差特性は、２つ以上のピークを有することを特徴とするものである。
本発明の撮像装置の第１０の構成は、第９の撮像装置において、前記球面収差特性のピークは、プラス側とマイナス側に位置することを特徴とするものである。
本発明の撮像装置の第１１の構成は、第１から第１０の撮像装置において、前記光学系は、前記略一定なＭＴＦを実現するための波面制御素子を備えることを特徴とするものである。
本発明の撮像装置の第１２の構成は、第１１の撮像装置において、前記略一定なＭＴＦを実現するための波面制御素子は、非球面を有することを特徴とするものである。
本発明の撮像装置の第１３の構成は、第１１の撮像装置において、前記略一定なＭＴＦを実現するための波面制御素子は、位相板であることを特徴とするものである。
本発明の撮像装置の第１４の構成は、第１１の撮像装置において、前記略一定なＭＴＦを実現するための波面制御素子は、１面に複数の曲率を有するレンズであることを特徴と
するものである。
本発明の撮像装置の第１５の構成は、第１４の撮像装置において、前記略一定なＭＴＦを実現するための波面制御素子は、中心と周辺で異なる曲率を有するレンズであることを特徴とするものである。
本発明の撮像装置の第１６の構成は、第１４または第１５の撮像装置において、前記略一定なＭＴＦを実現するための波面制御素子は、１面に３つの曲率を有するレンズであることを特徴とするものである。
本発明の撮像装置の第１７の構成は、第１１から第１６の何れか１つの撮像装置において、前記略一定なＭＴＦを実現するための波面制御素子は、その材質に複屈折結晶が用いられることを特徴とするものである。
本発明の撮像装置の第１８の構成は、第１１から第１７の何れか１つの撮像装置において、前記略一定なＭＴＦを実現するための波面制御素子は、着脱可能とすることを特徴とするものである。
この第１８の構成は、第１１から第１７の何れか１つの構成において略一定なＭＴＦを実現するための波面制御素子を着脱可能としたものである。
本発明の撮像装置の第１９の構成は、第１から第１８の何れか１つの撮像装置において、前記画像処理手段において実行される画像処理は、前記撮像素子が出力する観測画像に対して画像回復処理を含むことを特徴とするものである。
本発明の撮像装置の第２０の構成は、第１９の撮像装置において、前記画像回復処理は、前記光学系の結像特性を用いることを特徴とするものである。
本発明の撮像装置の第２１の構成は、第２０の撮像装置において、前記画像回復処理は、回復画像が下記微分方程式で表される処理を実行することを特徴とするものである。
ｆ（ｘ,ｙ）＝ｇ（ｘ,ｙ）＋ａ1（ｘ,ｙ）・ｇ'（ｘ,ｙ）＋ … ＋ａn（ｘ,ｙ）・ｇ(n)（ｘ,ｙ）
ただし、
ｆ：回復画像、ｇ：観測画像、ａ1、ａ2、…ａn：劣化パラメータ
ｇ(n)：観測画像に対するｎ次微分。
本発明の第１の撮像システムの構成は、第１から第２１の何れか１つの撮像装置と、前記撮像装置で撮像された観測画像に対して画像回復処理を実行する外部装置とを有することを特徴とするものである。
本発明の第２の撮像システムの構成は、第１の撮像システムにおいて、前記画像回復処理は、前記光学系の結像特性を用いることを特徴とするものである。
本発明の第３の撮像システムの構成は、第１または第２の撮像システムにおいて、前記画像回復処理は、回復画像が下記微分方程式で表される処理を実行することを特徴とするものである。
ｆ（ｘ,ｙ）＝ｇ（ｘ,ｙ）＋ａ1（ｘ,ｙ）・ｇ'（ｘ,ｙ）＋ … ＋ａn（ｘ,ｙ）・ｇ(n)（ｘ,ｙ）
ただし、
ｆ：回復画像、ｇ：観測画像、ａ1、ａ2、…ａn：劣化パラメータ
ｇ(n)：観測画像に対するｎ次微分。
本発明の第４の撮像システムの構成は、前記撮像装置と前記外部装置はそれぞれ通信手段を備え、前記撮像装置で撮像された観測画像を、前記通信手段を介して前記外部装置に送信することを特徴とするものである。
本発明に拠れば、復元した画像において、十分な解像が得られる。また、焦点深度が拡大した画像を簡単に得ることが可能となる。
比較例１、並びに、本発明の実施例１〜実施例３の光学系を展開して光軸に沿ってとった断面図。 比較例１のＭＴＦ特性を示す図。 比較例１の球面収差特性を示す図。 本発明の実施例１の光学系のＭＴＦ特性を示す図。 本発明の実施例１の球面収差特性を示す図。 本発明の実施例２で用いる２焦点レンズの構成を示した模式図。 本発明の実施例２の光学系のＭＴＦ特性を示す図。 本発明の実施例２の球面収差特性を示す図。 本発明の実施例３で用いる２焦点レンズの構成を示した模式図。 本発明の実施例３の光学系のＭＴＦ特性を示す図。 本発明の実施例３の球面収差特性を示す図。 比較例２の光学系を展開して光軸に沿ってとった断面図。 比較例２のＭＴＦ特性を示す図。 比較例２の球面収差特性を示す図。 本発明の実施例４の光学系を展開して光軸に沿ってとった断面図。 本発明の実施例４の光学系のＭＴＦ特性を示す図。 本発明の実施例４の球面収差特性を示す図。 本発明の撮像装置の構成を示す概略図。 本発明の画像回復処理を示す概略図。 本発明の撮像システムの構成を示す概略図。
本実施形態の撮像装置の第１の構成は、撮像素子と、撮像素子に被写体の像を結像する光学系と、撮像素子で得られた画像に対して画像処理を実行する画像処理手段を有し、光学系は、撮像素子の設置位置およびその前後の所定距離において略一定なＭＴＦを有することを特徴としている。なお、ＭＴＦとはModulation Transfer Functionのことである。
以下に、この撮像装置の第１の構成を採用する理由と作用について説明する。
この第１の構成は、撮像装置で使用する光学系が持つ光学特性を、ＭＴＦを用いて規定したものである。すなわち、この光学系が持つＭＴＦを、撮像素子の設置位置との関係を使って、その形状で規定したものである。第１の構成では、撮像素子の設置位置およびその前後の所定位置において、光学系のＭＴＦを略一定あるいは一定なものとするようにしている。言い換えれば、光学系は、このような特徴のＭＴＦを持つということである。このような光学系を備えることで、この撮像装置で得られた画像に対して画像回復処理が実行された場合、十分に解像された画像回復ができる。また、焦点深度が広い画像を復元することができる。また、画像回復処理を効果的に行うことが可能となる。
以下、更に説明を行なう。撮像装置では、光学系によって被写体の像が形成される。このとき、被写体の位置に応じて形成される像の位置も異なる。複数の被写体でそれぞれの位置が異なっている場合、各被写体の像の位置も異なる。ここで、ある被写体を基準として、この被写体にピントを合わせたとする。この場合、この被写体の像位置（以下、基準像位置）の前後に、他の被写体の像が形成される。そして、基準像位置ではピントの合った被写体像が得られるが、基準像位置の前後では、ピントのずれた（ぼけた）被写体像になる。
第１の構成では、光学系のＭＴＦの値が、基準像位置と基準像位置の前後の位置（所定距離）で、ほぼ同じになっている。これは、位置（被写体の像位置）を横軸、ＭＴＦの値を縦軸にとった場合、横軸のある範囲でＭＴＦの値が略一定となっているということである。なお、撮像装置では、通常、基準像位置に撮像素子が設置される。よって、撮像素子の設置位置を基準像位置と見なせば良い。
このように、第１の構成では、基準像位置およびその前後の位置において、ＭＴＦを略一定としているので、基準位置とその近傍位置で得られた画像それぞれについて、画像特性(画質、ボケ具合等)をほぼ同じようにすることができる。よって、画像処理手段で、例えばＭＴＦを上昇させる回復処理を行った場合、各位置の画像において同じようにＭＴＦを回復させることができる。すなわち、画像全体の各画素で、十分に解像された画像回復ができる。また、焦点深度が広い画像を復元することができる。なお、第１の構成における略一定とは、画像回復処理が実行された時に、多くの画素で同じように像の回復が行なわれる（例えば、十分な解像が得られる程度となる）範囲（変動幅）いう。
一方、撮像素子の設置位置におけるＭＴＦとその前後の所定距離におけるＭＴＦとの差（変動幅）が大きいと、画像回復処理が実行されたとしても、解像の低さが目立つ画像となってしまう。
また、第１の構成において、以下に記載する第２〜第４の何れかの構成を備えることがより好ましい。
第２の構成は、第１の構成において、略一定なＭＴＦとなる空間周波数が、条件式（１）を満足することを特徴としている。
ν＝１／（２×Ｐ×Ａ）、１＜Ａ＜２０ …（１）
ただし、ν：空間周波数、Ｐ：撮像素子の画素ピッチ
以下に、この撮像装置の第２の構成を採用する理由と作用について説明する。この第２の構成は、略一定なＭＴＦが存在する空間周波数を規定したものである。第２の構成では、画素ピッチＰを有する撮像素子における最大空間周波数νmax＝１／（２×Ｐ）と係数
Ａを用いて、略一定なＭＴＦが存在する空間周波数を規定している。この第２の構成では、特に、空間周波数νの下限をνmax／２０に規定している。撮像素子の設置位置および
その前後の所定距離において略一定なＭＴＦが、この空間周波数νの範囲内で少なくとも１つ存在することを条件としている。このような条件を有する光学系を用いることで、十分に解像された画像回復ができる。また、画像回復処理を効果的に行うことが可能となる。
第３の構成は、第１の構成において、略一定なＭＴＦとなる空間周波数が、条件式（２）を満足することを特徴としている。
ν＝１／（２×Ｐ×Ａ）、２＜Ａ＜８ …（２）
ただし、ν：空間周波数、Ｐ：撮像素子の画素ピッチ
以下に、この撮像装置の第３の構成を採用する理由と作用について説明する。この第３の構成は、第２の構成と同様、略一定なＭＴＦが存在する空間周波数を規定したものであ
って、第２の構成より空間周波数の範囲を狭め、更に良好な画像回復処理を行うことを可能としている。具体的には、最大空間周波数νmaxとすると、空間周波数の上限をνmax／２、下限をνmax／８とするものである。この条件を満足することで、より解像された画
像回復ができる。また、画像回復処理を更に効果的に行うことが可能となる。
第４の構成は、第１の構成において、略一定なＭＴＦとなる空間周波数が、条件式（３）を満足することを特徴としている。
０．００１＜ν／Ｎ＜３ …（３）
ただし、ν：空間周波数、Ｎ：撮像素子一辺の画素数
以下に、この撮像装置の第４の構成を採用する理由と作用について説明する。この第４の構成も、略一定なＭＴＦが存在する空間周波数を規定したものである。この第４の構成では、撮像装置で使用される撮像素子の一辺の画素数を用いて、空間周波数の上限と下限を規定したものである。ここで撮像素子一辺の画素数とは、矩形の撮像素子の場合、縦、横どちらか一辺の画素の並びにおいて多い方の画素数をいうものである。撮像素子の設置位置およびその前後の所定距離において略一定なＭＴＦが、この空間周波数νの範囲内で少なくとも１つ存在することを条件としている。この条件を満足することで、十分に解像された画像回復ができる。また、画像回復処理を効果的に行うことが可能となる。
また、この撮像装置の第１〜第４の構成に、以下に記載する何れかの構成を備えることがより好ましい。
第５の構成は、第１から第４の何れかの撮像装置において、光学系が、開放Ｆナンバーにおいて略一定なＭＴＦを有することを特徴としている。
この第５の構成は、焦点深度の一番浅くなる開放Ｆナンバーにおいて、光学系が略一定なＭＴＦを有することを規定したものである。光学系が可変絞りを有する場合、このように開放Ｆナンバーにおいて、略一定なＭＴＦを有することを規定したものである。このようにすることで、可変絞りを変更した場合においても、略一定なＭＴＦを得ることができる。その結果、どの絞り位置の撮影で得られた画像に対しても、十分に解像された画像回復ができる。また、効果的な画像回復処理を実現できる。
第６の構成は、第１から第５の何れかの撮像装置において、略一定なＭＴＦが、コントラストが０にならない範囲で他の空間周波数のＭＴＦと交差することを特徴としている。
この第６の構成は、目的とする空間周波数のＭＴＦにおいて、撮像素子の設置位置およびその前後の所定位置におけるＭＴＦが、略一定な箇所を有することを、他の空間周波数のＭＴＦとの関係において保証するものである。具体的には、目的とする空間周波数におけるＭＴＦと、他の空間周波数におけるＭＴＦを重ね合わせたとする。この場合、目的とする空間周波数のＭＴＦが略一定であれば、コントラストが０とならない範囲で他の空間周波数のＭＴＦと交差する。なお、コントラストが０とは、着目する空間周波数のＭＴＦにおいて、白黒が反転する位置であって、ちょうどＭＴＦが０となる位置に相当している。
第７の構成は、第６の撮像装置において、略一定なＭＴＦが、他の空間周波数のＭＴＦと１０％以下の位置で交差することを特徴としている。
この第７の構成は、第６の構成において更に良好となる条件を規定したものである。この第７の構成によれば、目的とする空間周波数のＭＴＦにおいて、撮像素子の設置位置およびその前後の所定位置におけるＭＴＦが、略一定な箇所を有することを、他の空間周波数のＭＴＦとの関係においてさらに保証するものである。
第８の構成は、第１から第７の何れかの撮像装置において、光学系の球面収差特性が、ピークを有することを特徴としている。
この第８の構成は、光学系の球面収差特性に基づいて、撮像素子の設置位置およびその前後の所定位置におけるＭＴＦが略一定であることを規定したものである。球面収差特性がピークを有する場合、球面収差特性はプラス側、および、マイナス側の両方向に変動することとなる。このように、球面収差特性を両方向に変動させることで、撮像素子の設置位置近傍において光線を分散させることができる。このような特性を持たせることで、略一定なＭＴＦを持つ光学系を実現できる。
第９の構成は、第８の撮像装置において、光学系の球面収差特性が、２つ以上のピークを有することを特徴としている。
この第９の構成は、第８の構成において更に良好となる条件を規定したものである。このように球面収差特性が２つ以上のピークを有することで、球面収差特性は、プラス側、および、マイナス側の両方向へ少なくとも２回変動することとなる。このような特性を持たせることで、略一定なＭＴＦを持つ光学系を実現できる。
第１０の構成は、第９の撮像装置において、球面収差特性のピークが、プラス側とマイナス側に位置することを特徴としている。
この第１０の構成は、第９の構成において更に良好となる条件を規定したものである。このように、球面収差特性のピークをプラス側、マイナス側の両方に位置させることで、略一定なＭＴＦを持つ光学系を実現できる。
第１１の構成は、第１から第１０の撮像装置において、光学系が、略一定なＭＴＦを実現するための波面制御素子を備えることを特徴としている。
光波面制御素子を設けることで、略一定なＭＴＦを持つ光学系を実現することができる。
第１２の構成は、第１１の撮像装置において、一定なＭＴＦを実現するための波面制御素子が、非球面を有することを特徴としている。
波面制御素子が非球面を有することで、略一定なＭＴＦを持つ光学系を実現することができる。この非球面を有する波面制御素子としては、非球面レンズや非球面板、または、何れかの領域を非球面とする多少点レンズなどを採用することができる。
第１３の構成は、第１１の撮像装置において、略一定なＭＴＦを実現するための波面制御素子が、位相板であることを特徴としている。
位相板を波面制御素子として用いることで、略一定なＭＴＦを持つ光学系を実現することができる。
第１４の構成は、第１１の撮像装置において、略一定なＭＴＦを実現するための波面制御素子が、１面に複数の曲率を有するレンズであることを特徴としている。
１面に複数の曲率を有するレンズを波面制御素子として用いることで、略一定なＭＴＦを持つ光学系を実現することができる。１つの曲率としては、球面形状のような所定の曲
率半径を有するものの他、非球面形状のように所定の計算式で得られる曲率を含むものである。
第１５の構成は、第１４の撮像装置において、略一定なＭＴＦを実現するための波面制御素子が、中心と周辺で異なる曲率を有するレンズであることを特徴としている。
中心と周辺で異なる曲率を有するレンズを波面制御素子として用いることで、略一定なＭＴＦを持つ光学系を実現することができる。
第１６の構成は、第１４または第１５の撮像装置において、略一定なＭＴＦを実現するための波面制御素子が、１面に３つの曲率を有するレンズであることを特徴としている。
１面に３つの曲率を有するレンズを波面制御素子として用いることで、略一定なＭＴＦを持つ光学系を実現することができる。
第１７の構成は、第１１から第１６の何れか１つの撮像装置において、略一定なＭＴＦを実現するための波面制御素子が、その材質に複屈折結晶が用いられることを特徴としている。
波面制御素子の材質に複屈折結晶を用いることで、略一定なＭＴＦを持つ光学系を実現することができる。
第１８の構成は、第１１から第１７の何れか１つの撮像装置において、略一定なＭＴＦを実現するための波面制御素子が、着脱可能であることを特徴としている。
このような構成に拠れば、略一定なＭＴＦを実現するための波面制御素子を光学系から抜く、あるいは、別の光学素子と交換することができる。略一定なＭＴＦを有する光学系と他の光学系を１つの装置にて実現し、必要なときに所望のＭＴＦ特性に変更することができる。
第１９の構成は、第１から第１８の何れか１つの撮像装置において、画像処理手段において実行される画像処理が、撮像素子から得られた画像に対して画像回復処理を含むことを特徴としている。
この第１９の構成に拠れば、１つの撮像装置のみで撮像、並びに撮像した画像に対する画像回復処理を実行することが可能となる。
第２０の構成は、第１９の撮像装置において、画像回復処理が、光学系の結像特性を用いることを特徴としている。
この第２０の構成に拠れば、光学系の結像特性を利用して画像回復処理を行うことで、さらに効果的な画像回復処理を行うことができる。
第２１の構成は、第２０の撮像装置において、画像回復処理が、回復画像が下記微分方程式で表される処理を実行することを特徴としている。
ｆ（ｘ,ｙ）＝ｇ（ｘ,ｙ）＋ａ1（ｘ,ｙ）・ｇ'（ｘ,ｙ）＋ … ＋ａn（ｘ,ｙ）・ｇ(n)（ｘ,ｙ）
ただし、
ｆ：回復画像、ｇ：観測画像、ａ1、ａ2、…ａn：劣化パラメータ
ｇ(n)：観測画像に対するｎ次微分。
この第２１の構成に拠れば、光学系の結像特性として、画像の位置に応じて変化する劣化パラメータ、いわゆる、スペースバリアントなパラメータにてフィルタリングすることで、さらに効果的な画像回復処理を行うことができる。
第１の撮像システムの構成は、第１から第２１の何れか１つの撮像装置と、撮像装置で撮像された画像に対して画像回復処理を実行する外部装置とを有することを特徴としている。
この第１の撮像システムの構成に拠れば、画像回復処理を外部装置にて行うことで、撮像装置内での処理負担を削減することが可能となる。その結果、撮像装置の低コスト化、高速処理を実現することができる。
第２の撮像システムの構成は、第１の撮像システムにおいて、画像回復処理が、光学系の結像特性を用いることを特徴としている。
この第２の撮像システムの構成に拠れば、光学系の結像特性を利用して画像回復処理を行うことで、さらに効果的な画像回復処理を行うことができる。
第３の撮像システムの構成は、第１または第２の撮像システムにおいて、画像回復処理が、回復画像が下記微分方程式で表される処理を実行することを特徴としている。
ｆ（ｘ,ｙ）＝ｇ（ｘ,ｙ）＋ａ1（ｘ,ｙ）・ｇ'（ｘ,ｙ）＋ … ＋ａn（ｘ,ｙ）・ｇ(n)（ｘ,ｙ）
ただし、
ｆ：回復画像、ｇ：観測画像、ａ1、ａ2、…ａn：劣化パラメータ
ｇ(n)：観測画像に対するｎ次微分。
この撮像システムの第３の構成に拠れば、光学系の結像特性として、画像の位置に応じて変化する劣化パラメータ、いわゆる、スペースバリアントなパラメータにてフィルタリングすることができる。これにより、さらに効果的な画像回復処理を行うことができる。
第４の撮像システムの構成は、撮像装置と外部装置はそれぞれ通信手段を備え、撮像装置で撮像された画像を、通信手段を介して外部装置に送信することを特徴としている。
この第４の撮像システムの構成に拠れば、撮像装置で撮像した画像を簡易に外部装置に提供することが可能となる。また、撮像装置における記録容量や処理量を削減することが可能となる。
図１から図１７を用い、本実施形態の撮像装置で用いる光学系について説明を行う。
図１は、比較例１、並びに、本発明の実施例１〜実施例３で使用する光学系の概略を展開して光軸に沿ってとった断面図である。比較例１、実施例１〜実施例３は、図中、第３レンズＬ３の詳細において異なっている。
この比較例１は、実施例１〜実施例３を説明するために例示するものであり、第３レンズＬ３の両面を球面形状としている。これに対し、実施例１では第３レンズＬ３の６面を非球面形状とし、実施例２では第３レンズＬ３の５面を２焦点レンズとし、実施例３では第３レンズＬ３の５面を３焦点レンズとしている点において異なったものとなっている。
比較例１において、図１に示す光学系Ｏは、物体側から射出側に向かって順に、第１レ
ンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３、明るさ絞りＳにて構成されている。図中、ｒ８で示される撮像面には、ＣＣＤなどの撮像素子が設置される。
第１レンズＬ１は、物体側に凸面を向けた正メニスカス形状の単レンズであり、第２レンズＬ２は、負屈折力を有する両凹形状の単レンズであり、第３レンズＬ３は、正屈折力を有する両凸形状の単レンズである。
また、本比較例では、撮像面に設置される撮像素子には、縦または横方向の最大画素数を４０００、画素ピッチを１．７（μｍ）のものを想定して設計を行っている。なお、これは、実施例でも同じである。
以下に上記比較例１の数値データを示す。数値データ中、ｒは各レンズ面（光学面）の曲率半径、ｄは各レンズ面（光学面）間の間隔、ｎｄは各レンズ（光学媒質）のｄ線の屈折率、Ｖｄは各レンズ（光学媒質）のアッベ数、Ｆは焦点距離である。
各種データには、光学系の焦点距離、Ｆナンバーが示されている。焦点距離の単位は、ミリメートル（ｍｍ）であって、Ｆナンバーは、本測定に用いた開放時のものが示されている。
深度特性は、評価空間周波数８４（ｌｐ／ｍｍ）におけるＭＴＦ２０％、１０％時、それぞれのＭＴＦの幅を示したものであり、その単位は、ミリメートル（ｍｍ）である。
数値比較例１
単位 ｍｍ
面データ
面番号 ｒ ｄ ｎｄ Ｖｄ Ｆ
1 3.0139 1.2800 1.72341 50.20 6.1743
2 7.6146 0.1923
3 -10.5848 0.2367 1.70448 30.10 -3.5085
4 3.2544 0.3997
5 10.7443 0.4438 1.81067 41.00 5.0931
6 -6.5817 0.2367
7（絞り） ∞ 7.7389
8（撮像面） ∞

各種データ
焦点距離 9.9902
Ｆナンバー 3.5

深度特性（評価空間周波数：84[lp/mm]）
深度
ＭＴＦ20％ 0.09
ＭＴＦ10％ 0.11 。
図２は、この比較例１における評価空間周波数８４（ｌｐ／ｍｍ）でのＭＴＦ特性を示した図である。図２には、軸上でのデフォーカス量（単位：ミリメートル（ｍｍ））に対するＭＴＦ（単位：％）が示されている。この比較例１のＭＴＦ特性は、基準位置に対して−０．０５（ｍｍ）付近に約７０％の尖鋭なピークを持つ形状となっている。 図３は、この比較例１における球面収差特性を示した図であり、ここでは、波長５４６．０７（ｎｍ）での球面収差特性が示されている。
次に、実施例１について数値実施例、並びに各種特性を以下に説明する。この実施例１は、図１における第３レンズＬ３の６面を非球面形状とすることで、撮像素子の設置位置およびその前後の所定距離において略一定なＭＴＦを実現している。各数値の意味、各種設計条件は、比較例１において説明したものと同様である。
深度特性に記載する対比較例は、比較例１に対するＭＴＦ２０％、１０％時、それぞれのＭＴＦの幅の比を示したものである。また、換算Ｆナンバーは、本実施例１のＭＴＦの幅を比較例１において実現する場合に必要とされるＦナンバーを示したものである。
また、非球面形状は、ｘを光の進行方向を正とした光軸とし、ｙを光軸と直交する方向にとると下記の式にて表される。
ｘ＝（ｙ2／ｒ）／［１＋｛１−（Ｋ＋１）（ｙ／ｒ）2｝1/2］
＋Ａ２ｙ2＋Ａ４ｙ4＋Ａ６ｙ6＋Ａ８ｙ8＋Ａ１０ｙ10＋ …
ただし、ｒは近軸曲率半径、Ｋは円錐係数、Ａ２〜Ａ１０はそれぞれ２次〜１０次の非球面係数である。
数値実施例１
単位 ｍｍ
面データ
面番号 ｒ ｄ ｎｄ Ｖｄ Ｆ
1 3.0139 1.2800 1.72341 50.20 6.1743
2 7.6146 0.1923
3 -10.5848 0.2367 1.70448 30.10 -3.5085
4 3.2544 0.3997
5 10.7443 0.4438 1.81067 41.00 5.0931
6* -6.5817 0.2367
7（絞り） ∞ 7.7389
8（撮像面） ∞

非球面データ
第６面
K=0
A2=-2.01E-12
A4=5.98E-03
A6=-2.08E-02
A8=2.19E-02
A10=-7.06E-03

各種データ
焦点距離 9.9902
Ｆナンバー 3.5

深度特性（評価空間周波数：84[lp/mm]）
深度 対比較例[％] 換算Ｆナンバー
ＭＴＦ20％ 0.16 182 6.4
ＭＴＦ10％ 0.25 223 7.8 。
図４は、この実施例１におけるＭＴＦ特性を示した図であり、図４（ａ）は、軸上でのＭＴＦ特性を示したものである。また、図４（ｂ）は、軸外でのＭＴＦ特性を示したもの
である。ここでは、０．２５ｄと、０．３５ｄ（ただし、０．５ｄ：撮像面最大高）、２つの軸外におけるＭＴＦ特性が示されている。なお、図４（ａ）、（ｂ）ともに評価空間周波数は、８４（ｌｐ／ｍｍ）としている。
図４（ｃ）は、評価空間周波数が異なる場合のＭＴＦ特性を示したものである。ここでは、図４（ａ）と同じ８４（ｌｐ／ｍｍ）のＭＴＦ特性と、５０（ｌｐ／ｍｍ）のＭＴＦ特性が示されている。
このように図４（ａ）に示される軸上でのＭＴＦ特性は、図２の比較例１のＭＴＦ特性と比較してみると分かるように、デフォーカス量を０とする位置、すなわち、撮像素子が設置される位置、そしてその前後の所定距離範囲内において、低い値ではあるものの略一定なＭＴＦを実現するものである。
このような特性（曲線）を有するＭＴＦでは、得られた画像に対し各種画像回復処理を施すことで、所定の範囲でデフォーカスした画像において、一様にＭＴＦを上昇させることができる。これにより、十分な解像を持つ画像を復元することができる。また、焦点深度の深い画像を実現することが可能となる。なお、デフォーカス量を０とする位置、すなわち、撮像素子の設置位置は、各種ＭＴＦ特性の形状を考慮して適宜な位置とすることが可能である。
図４（ｂ）からは、軸上と同様、軸外においても略一定なＭＴＦ特性を有することがみてとれる。そして、図４（ｃ）からは、８４（ｌｐ／ｍｍ）のＭＴＦ特性においてコントラストが０とならない範囲で、８４（ｌｐ／ｍｍ）のＭＴＦ特性と５０（ｌｐ／ｍｍ）のＭＴＦ特性が交差している。このような状態であれば、８４（ｌｐ／ｍｍ）のＭＴＦ特性が略一定であることが保証されているといえる。なお、コントラストが０とは、着目する評価空間周波数のＭＴＦにおいて、白黒が反転する位置であって、ＭＴＦが０になる位置に相当している。
図５は、この実施例１における球面収差特性を示した図であり、ここでは、波長５４６．０７（ｎｍ）での球面収差特性が示されている。この球面収差特性は、図３の球面収差特性と比較して、収差を表す曲線がプラス側、マイナス側に変動している。図５では、収差曲線は、矢印で示すように、３つのピークを有する。このピークの前後では、収差の発生方向がプラス側からマイナス側、あるいはその逆になっている。
このように、球面収差特性をプラス側、マイナス側の両方向に変動させることで、デフォーカス量０の位置付近において、略一定なＭＴＦを実現することが可能となる。この実施例１のように、球面収差特性において、プラス側、マイナス側の両方に複数のピークを形成することが好ましい。なお、球面収差数特性において、２つ以上のピークを持たせることだけでもで、ＭＴＦを略一定とすることができる。
次に、実施例２について数値実施例、並びに各種特性を説明する。この実施例２は、図１における第３レンズＬ３の５面を２焦点レンズとすることで、撮像素子の設置位置およびその前後の所定距離において略一定なＭＴＦを実現している。各種数値の意味、各種設計条件は、比較例１、実施例１において説明したものと同様である。
図６は、第３レンズＬ３の５面に採用される２焦点レンズの正面図、並びに、光軸に沿ってとった断面図である。この図は複数焦点レンズを説明するため模式的に示した図であって、その形状は実際の数値による形状とは異なっている。
図６に示されるように、この２焦点レンズは、その中央に領域Ａが設けられ、領域Ａを
取り巻くように領域Ｂが設けられている。本実施例では領域Ａ、領域Ｂは、共に球面形状を有するとともに、領域Ａと領域Ｂ間は段差を有すること無く連続的に変化する形状となっている。下記数値実施例に、領域毎の半径、曲率、各レンズ面（光学面）間の間隔ｄ４、ｄ５を示しておく。ここで、領域Ｂの面間隔ｄ４、ｄ５は、図６に示すように、領域Ｂのレンズ面が形成する仮想面が光軸と交差する位置での面間隔（図中ｄ４'、ｄ５'）をいうものである。
数値実施例２
単位 ｍｍ
面データ
面番号 ｒ ｄ ｎｄ Ｖｄ Ｆ
1 3.0139 1.2800 1.72341 50.20 6.1743
2 7.6146 0.1923
3 -10.5848 0.2367 1.70448 30.10 -3.5085
4 3.2544 0.3997
5（２焦点） 10.7443 0.4438 1.81067 41.00 8.1189
6 -6.5817 0.2367
7（絞り） ∞ 7.7389
8（撮像面） ∞

２焦点レンズデータ（面番号５）
半径 曲率 ｄ４ ｄ５
領域Ａ 0.715 10.7443 0.3997 0.4438
領域Ｂ 1.2 11.0443 0.4003 0.4432

各種データ
焦点距離 9.9902
Ｆナンバー 3.5

深度特性（評価空間周波数：84[lp/mm]）
深度 対比較例[％] 換算Ｆナンバー
ＭＴＦ20％ 0.16 177 6.2
ＭＴＦ10％ 0.19 175 6.1 。
図７は、この実施例２における軸上でのＭＴＦ特性を示した図である。評価空間周波数は、比較例１と同様、８４（ｌｐ／ｍｍ）としている。このように図７に示される軸上でのＭＴＦ特性においても、デフォーカス量を０とする位置、すなわち、撮像素子が設置される位置、そしてその前後の所定距離範囲内において略一定なＭＴＦを実現することがみてとれる。
図８は、この実施例２における球面収差特性を示した図であって、比較例１と同様、波長５４６．０７（ｎｍ）での球面収差特性が示されている。この球面収差特性は、プラス側、マイナス側にいくつかのピークを有するものとなっている。よって、実施例２においても、デフォーカス量０となる前後の位置においてＭＴＦを略一定となっている。
次に、実施例３についての数値実施例、並びに各種特性を説明する。この実施例３は、図１における第３レンズＬ３の５面を３焦点レンズとすることで、撮像素子の設置位置およびその前後の所定距離において略一定なＭＴＦを実現している。各種数値の意味、各種設計条件は、比較例１、実施例１、２において説明したものと同様である。
図９は、第３レンズＬ３の５面に採用される３焦点レンズの正面図、並びに、光軸に沿ってとった断面図を示す。この図は複数焦点レンズを説明するため、模式的に示した図であって、その形状は実際の数値による形状とは異なったものとなっている。
図９に示されるように、この３焦点レンズは、その中央に領域Ａが設けられ、領域Ａを取り巻くように領域Ｂ、さらに領域Ｂを取り巻くように領域Ｃが設けられている。本実施例では領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃは、それぞれが球面形状を有するとともに、各領域間は段差を有すること無く連続的に変化する形状となっている。下記数値実施例に、領域毎の半径、曲率、各レンズ面（光学面）間の間隔ｄ４、ｄ５を示しておく。ここで、領域Ｂの面間隔ｄ４、ｄ５は、図９に示すように、領域Ｂのレンズ面が形成する仮想面が光軸と交差する位置での面間隔（図中ｄ４'、ｄ５'）であり、また、領域Ｃの面間隔ｄ４、ｄ５は、領域Ｃのレンズ面が形成する仮想面が光軸と交差する位置での面間隔（図中ｄ４''、ｄ５''）である。
数値実施例３
単位 ｍｍ
面データ
面番号 ｒ ｄ ｎｄ Ｖｄ Ｆ
1 3.0139 1.2800 1.72341 50.20 6.1743
2 7.6146 0.1923
3 -10.5848 0.2367 1.70448 30.10 -3.5085
4 3.2544 0.3997
5（３焦点） 10.7443 0.4438 1.81067 41.00 8.1189
6 -6.5817 0.2367
7（絞り） ∞ 7.7389
8（撮像面） ∞

３焦点レンズデータ（面番号５）
半径 曲率 ｄ４ ｄ５
領域Ａ 0.715 10.7443 0.3997 0.4438
領域Ｂ 1.105 11.0443 0.4003 0.4432
領域Ｃ 1.2 11.2943 0.4025 0.4410

各種データ
焦点距離 9.9902
Ｆナンバー 3.5

深度特性（評価空間周波数：84[lp/mm]）
深度 対比較例[％] 換算Ｆナンバー
ＭＴＦ20％ 0.17 184 6.5
ＭＴＦ10％ 0.22 195 6.8 。
この３焦点レンズを用いた実施例３についてもそのＭＴＦ特性、並びに球面収差特性を示しておく。
図１０は、この実施例３における軸上でのＭＴＦ特性を示した図であり、図１０（ａ）は、比較例１と同様、評価空間周波数が８４（ｌｐ／ｍｍ）における軸上でのＭＴＦ特性を示したものである。また、図１０（ｃ）は、評価空間周波数が異なる場合のＭＴＦ特性を示したものである。ここでは、図１０（ａ）と同じ８４（ｌｐ／ｍｍ）と、５０（ｌｐ／ｍｍ）、２つのＭＴＦ特性を併せて示している。
このように図１０（ａ）に示される軸上でのＭＴＦ特性においても、デフォーカス量を０とする位置、すなわち、撮像素子が設置される位置、そしてその前後の所定距離範囲内において、略一定なＭＴＦが実現されている。また、図１０（ｃ）では、８４（ｌｐ／ｍｍ）のＭＴＦ特性においてコントラストが０とならない範囲で、８４（ｌｐ／ｍｍ）のＭＴＦ特性と５０（ｌｐ／ｍｍ）のＭＴＦ特性が交差している。このような状態であれば、８４（ｌｐ／ｍｍ）のＭＴＦ特性が略一定であることが保証されているといえる。また、この実施例３では、１０％以下の位置で交差したものとなっており、８４（ｌｐ／ｍｍ）のＭＴＦ特性が略一定であることを更に裏付けている。
図１１は、この実施例３における球面収差特性を示した図であって、比較例１と同様、波長５４６．０７（ｎｍ）での球面収差特性が示されている。この球面収差特性は、プラス側、マイナス側にいくつかのピークを有するものとなっている。よって、実施例３においても、デフォーカス量０となる前後の位置においてＭＴＦを略一定となっている。
次に、別の光学系を用いた実施例４について、その比較例２とともに説明を行う。図１２は、この比較例２で使用する光学系を展開して光軸に沿ってとった断面図である。
この比較例２の光学系Ｏは、物体側から射出側に向かって配列された第１レンズＬ１、明るさ絞りＳ、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３にて構成されている。図中、ｒ９で示される撮像面には、ＣＣＤなどの撮像素子が設置される。
第１レンズＬ１は、物体側に凸面を向けた正メニスカス形状の単レンズであり、第２レンズＬ２は、物体側に凹面を向けた正メニスカス形状の単レンズであり、第３レンズＬ３は、正屈折力を有する両凸形状の単レンズである。また、実施例４との比較のため、明るさ絞りＳの前段に仮想面ｒ３を設けて設計を行うこととしている。
また、本実施例では、撮像面に設置される撮像素子には、縦または横方向の最大画素数を３５３、画素ピッチを３．０（μｍ）のものを想定して設計を行っている。
以下に上記比較例２の数値実施例を示す。各種数値の意味は、比較例１、実施例１〜３において説明したものと同様である。また、深度特性における評価空間周波数は１１１（ｌｐ／ｍｍ）としている。
数値比較例２
単位 ｍｍ
面データ
面番号 ｒ ｄ ｎｄ Ｖｄ Ｆ
1* 1.0577 0.4200 1.59008 29.90 3.5608
2 1.8160 0.3820
3 ∞ 0.0500
4(絞り) ∞ 0.2020
5 -0.3626 0.4200 1.49380 57.40 4.1989
6* -0.4268 0.0380
7 1.1353 0.3530 1.69979 55.50 1.2981
8 -3.9640 0.6686
9（撮像面） ∞

非球面データ
第１面
K=0
A2=0.00E+00
A4=1.58E-01
A6=0.00E+00
A8=0.00E+00
A10=0.00E+00
第６面
K=0
A2=0.00E+00
A4=1.08E+00
A6=-5.63E+00
A8=7.40E+01
A10=0.00E+00

各種データ
焦点距離 0.9971
Ｆナンバー 2.8

深度特性（評価空間周波数：111[lp/mm]）
深度
ＭＴＦ20％ 0.06
ＭＴＦ10％ 0.07 。
図１３は、この比較例２における評価空間周波数１１１（ｌｐ／ｍｍ）でのＭＴＦ特性を示した図であり、軸上でのデフォーカス量（単位：ミリメートル（ｍｍ））に対するＭＴＦ（単位：％）が示されている。この比較例１のＭＴＦ特性は、０（ｍｍ）付近に約６５％の尖鋭なピークを持つ形状となっている。
図１４は、この比較例１における球面収差特性を示した図であり、ここでは、波長５４６．０７（ｎｍ）での球面収差特性が示されている。この図からは変動の少ない球面収差特性がみてとれる。
次に、実施例４について数値実施例、並びに各種特性を以下に説明する。図１５に実施例４の光学系を展開して光軸に沿ってとった断面図を示す。この実施例４は、図１２における仮想面ｒ３と明るさ絞りＳ間に非球面板Ｃを挿入することで、撮像素子の設置位置およびその前後の所定距離において略一定なＭＴＦを実現するものである。各数値の意味、各種設定条件は、比較例２のものと同様である。
数値実施例４
単位 ｍｍ
面データ
面番号 ｒ ｄ ｎｄ Ｖｄ Ｆ
1* 1.0577 0.4200 1.59008 29.90 3.5608
2 1.8160 0.3820
3* ∞ 0.0500 2.11986 36.80 11.0766
4(絞り) ∞ 0.2020
5 -0.3626 0.4200 1.49380 57.40 4.1989
6* -0.4268 0.0380
7 1.1353 0.3530 1.69979 55.50 1.2981
8 -3.9640 0.6222
9（撮像面） ∞

非球面データ
第１面
K=0
A2=0.00E+00
A4=1.58E-01
A6=0.00E+00
A8=0.00E+00
A10=0.00E+00
第３面
K=0
A2=4.01E-02
A4=-3.95E+00
A6=6.19E+02
A8=-7.92E-01
A10=-1.04E+06
第６面
K=0
A2=0.00E+00
A4=1.08E+00
A6=-5.63E+00
A8=7.40E+01
A10=0.00E+00

各種データ
焦点距離 0.9973
Ｆナンバー 2.8

深度特性（評価空間周波数：111[lp/mm]）
深度 対比較例[％] 換算Ｆナンバー
ＭＴＦ20％ 0.09 159 4.4
ＭＴＦ10％ 0.11 158 4.4 。
図１６は、この実施例４におけるＭＴＦ特性を示した図であり、図１６（ａ）は、軸上でのＭＴＦ特性を示したものである。また、図１６（ｂ）は、軸外でのＭＴＦ特性を示したものである。ここでは、０．２５ｄと、０．３５ｄ（ただし、０．５ｄ：撮像面最大高）、２つの軸外におけるＭＴＦ特性が示されている。なお、図４（ａ）、（ｂ）ともに評価空間周波数は、１１１（ｌｐ／ｍｍ）としている。
このように図１６（ａ）に示される軸上でのＭＴＦ特性は、図１３の比較例２のＭＴＦ特性と比較してみると分かるように、デフォーカス量を０とする位置、すなわち、撮像素子が設置される位置、そしてその前後の所定距離範囲内において、低い値ではあるものの略一定なＭＴＦを実現するものである。
また、図１６（ｂ）からは、軸上と同様、軸外においても略一定なＭＴＦ特性を有することがみてとれる。
図１７は、この実施例４における球面収差特性を示した図であり、ここでは、波長５４６．０７（ｎｍ）での球面収差特性が示されている。この球面収差特性は、図１４の球面
収差特性と比較して、大幅に変動する特性となっており、マイナス側に２つのピークをとって変動することがみてとれる。
このように、球面収差特性を変動させることで、デフォーカス量０の位置付近において、略一定なＭＴＦを実現することが可能となる。
以上、図１〜図１１を用いて実施例１〜実施例３、並びにその比較例１を、図１２〜図１７を用いて実施例４、並びにその比較例２について説明を行ったが、このような実施例１から実施例４の光学系によれば、デフォーカス量が０となる位置、すなわち、撮像素子の設置位置およびその前後の所定距離において略一定なＭＴＦを実現している。このような光学系を介して画像を得た場合、得られた画像に対して画像回復処理を施すことで、十分な解像を持った画像を得る事ができる。また、焦点深度の広い画像を得るることが可能となる。
なお、略一定なＭＴＦを実現するため、比較例１に対し、実施例１では非球面形状を、実施例２では２焦点レンズを、実施例３では３焦点レンズを設けた点。が、また、比較例２に対し実施例４では非球面板を設けた点が異なっている。なお、略一定なＭＴＦを実現するための波面制御素子としては、このようなレンズの非球面形状、複数焦点レンズ、非球面板だけでなく、位相板を用いてもよい。更に、複数の波面制御素子にて略一定なＭＴＦを実現することとしても構わない。実施例２、３では複数焦点レンズの各々の領域を球面形状としたが、何れかの領域を非球面形状としてもよい。また、波面制御素子の材質に複屈折結晶を採用することで略一定なＭＴＦを実現してもよい。
また、これら略一定なＭＴＦを実現するための波面制御素子を着脱可能としても良い。このようにすることで、尖鋭なＭＴＦ特性を有する通常の光学系（比較例１、比較例２）として用いることができるようにしてもよい。例えば、実施例１〜実施例３では、第３レンズＬ３を交換することで比較例１の光学系に変更することができ、実施例４では、非球面板Ｃを取り除くことで比較例２の光学系に変更することが可能となる。
上記実施例１〜実施例４について、各条件式（１）〜条件式（３）の値を下記に示しておく。
実施例１ 実施例２ 実施例３ 実施例４
条件式（１） 84 84 84 111
条件式（２） 84 84 84 111
条件式（３） 0.021 0.021 0.021 0.314 。
では、次に図１８〜図２０を用い、本実施形態の撮像装置および撮像システムについて説明を行う。図１８は、本実施形態の撮像装置の構成を示した概略図である。この撮像装置１０は、光学系１１と、撮像素子１２と、画像処理手段１４と、制御手段１３により構成されている。なお、本実施形態では、画像処理手段１４により画像回復処理３０を実行することとしているが、この画像回復処理３０は撮像装置１０の外部で行うこととしてもよい。
この撮像装置１０において、光学系１１は、これまで説明してきた撮像素子１２の設置位置およびその前後の所定距離において略一定なＭＴＦを有するものである。被写体からの光は、この光学系１１により集光され、この集光位置に被写体の像が結像される。そして、この集光位置には、ＣＣＤ等の撮像素子１２が配置されている。撮像素子１２は、規則正しく配列された光電変換素子（画素）の集まりにて形成されている。
撮像素子１２に入射した光束は、この撮像素子１２の光電変換素子により電気信号（画像信号）に変換される。この電気信号は画像処理手段１４に入力され、画像処理手段１４にて現像処理、ガンマー補正、画像圧縮処理、画像回復処理３０等、各種信号処理が施される。信号処理が施された電気信号は、図示しない撮像装置１０内の内蔵メモリーや各種インターフェイスを介し、外部メモリーあるいは外部装置に出力される。
制御手段１３は、光学系１１、撮像素子１２、画像処理手段１４を統括して制御する手段である。この制御手段１３は、ＣＰＵ、ＲＯＭやＲＡＭなどの記憶手段、記憶手段に記憶された各種プログラムによって構成されている。この制御手段１３は、画像処理手段１４と兼用することとしてもよい。
画像回復処理３０では、光学系１１の結像特性に基づいた処理を行う。この場合、制御手段１３は、光学系１１の結像特性に関する情報を取得して画像回復処理３０に引き渡す。このような構成に拠れば、交換可能な光学系１１を有する撮像装置１０においても光学系１１に応じた画像回復処理３０を実行することができる。光学系１１の結像特性としては、絞り値、焦点距離など結像特性を実際に示す情報に限らず、製品番号など光学系１１の識別情報を用い、制御手段１３にて識別情報に対応する実際の結像特性に変換することとしてもよい。
では、次に実施形態の撮像装置における画像回復処理について説明する。なお、以下の説明では、画像回復処理の対象となる画像を、観測画像と称する。画像回復処理では各種の処理（変換）を利用することができるが、利用可能な画像回復処理を大別すると以下の３つに分類することができる。
（１）光学系１１の結像特性を利用するとともに、観測画像の位置に応じた処理が行われる画像回復処理。
（２）光学系１１の結像特性を利用するとともに、観測画像全体に対し一定の処理が行われる画像回復処理。
（３）光学系１１の結像特性を利用することなく、観測画像全体に対し一定の処理が行われる画像回復処理。
（１）の画像回復処理は、観測画像の各画素について異なる処理、いわゆるスペースバリアントな処理が施される画像処理である。この画像処理は、本実施形態の光学系１１で撮像した画像に対し、きわめて効果的な画像回復ができる。すなわち、撮像素子１２が設置される位置、および、その近傍におけるＭＴＦを略均等に上昇させることができる。この画像回復処理の詳細については後述する。なお、各画素ごとに処理を異ならせるのではなく、画素群ごとに処理を異ならせても良い。
（２）、（３）の画像回復処理は、観測画像の各画素について同じ処理、いわゆるスペースインバリアントな処理が施される画像処理である。（２）のような画像回復処理としては、画像に対し、光学系１１の結像特性に対応した劣化関数の逆関数にてフィルタリングすることで、効果的な画像回復を行うことができる。
また（３）の画像回復処理としては、所定の帯域を持ち上げる帯域強調や、観測画像から抽出したエッジ情報を加算するエッジ強調などがあり、これらの画像回復処理に拠れば、光学系１１の結像特性を用いることなく簡易に画像回復を行うことが可能となる。これら（２）、（３）の画像回復処理は、空間上で行う処理であっても、フーリエ変換などを用いて周波数軸上で行われる処理であってもよい。
では、（１）の画像回復処理について詳細な説明を以下に行う。
奥行きが連続的に変化する被写体を撮影すると、手前側から奥側にかけてボケ方が異なる観測画像が得られる。被写体の中心部にピントが合っているとすると、撮影で得られた被写体の観測画像のボケ量は、大→小→大と連続性を持って変化することとなる。このような場合を、観測画像の各画素のボケ方が観測画像の座標位置に応じて変動する状態、いわゆるスペースバリアントな状態と定義することができる。
まず、回復画像をｆ（ｘ、ｙ）、観測画像をｇ（ｘ、ｙ）、劣化関数をｈ（ｘ、ｙ、α、β）と定義すると、ｆ（ｘ、ｙ）、ｇ（ｘ、ｙ）のｘ、ｙ周りでのｍ、ｎ次微分、ｈ（ｘ、ｙ、α、β）のｉ，ｋ次モーメントは、それぞれ（数１）内に示す式で定義することができる。ただし、劣化関数ｈ（ｘ、ｙ、α、β）は、観測画像ｇ（ｘ、ｙ）の画素位置、及び、光学系の結像特性を示すＰＳＦ（α、β）によって変化するボケ量を示す関数である。
Figure 2011008045
 次に観測画像ｇ、回復画像ｆ、劣化関数ｈの関係をモデル化すると（数２）のようにｇは、ｈとｆの畳み込み積分で表すことができる。
Figure 2011008045
 この（数２）において、右辺のｈ、ｆをそれぞれテーラー展開（ｈ：Ｎ次打ち切り、ｆ：Ｍ次打ち切り）にて展開すると、
Figure 2011008045
 （数３）を（数２）に代入し、ｈ、ｆの積より導かれる各項毎の積分で表すと、各積分の項は、数１にて定義したｈのモーメントに置き換えることが可能となり、（数４）を導くことができる。
Figure 2011008045
 この（数４）の両辺をｘ、ｙに関して微分し、ｆ、ｈの微分係数＞Ｎ、Ｍの場合には、各微分係数を０とし、これをｇ(p,q)＝ｆ(p,q)となるまでｘ、ｙについてｐ、ｑ回繰り返し、逆算して（数４）のｆの微分値に代入していく。このような手順により（数４）に残るｆの関数は０次の微分の項のみとなり、回復画像ｆは、下記に示すように観測画像ｇと劣化関数ｈの積和演算により表すことができる。
ｆ（ｘ,ｙ）＝ｇ（ｘ,ｙ）＋ａ1（ｘ,ｙ）・ｇ'（ｘ,ｙ）＋ … ＋ａn（ｘ,ｙ）・ｇ(n)（ｘ,ｙ）
ただし、
ｆ：回復画像、ｇ：観測画像、ａ1、ａ2、…ａn：劣化パラメータ
ｇ(n)：観測画像に対するｎ次微分。
ここで劣化パラメータは、劣化関数ｈによって定まるパラメータであり、観測画像ｇ（ｘ、ｙ）の画素位置、及び、光学系の結像特性によって変化するパラメータである。
本実施形態では、光学系１１の結像特性を利用するとともに、観測画像の位置に応じた変換が行われる（１）の画像回復処理を、観測画像に施している。すなわち、被写体を、撮像素子の設置位置およびその前後の所定距離において略一定なＭＴＦを有する光学系で撮像した場合、撮像で得られた観測画像に（１）の画像回復処理を施すことで、（２）、（３）の画像回復処理と比べて、更に効果的に画像の解像を回復する（十分に解像された画像にする）ことができる。
では、この画像回復処理３０の処理の一例について図１９を参照しつつ説明を行う。図１９は、画像回復処理３０のブロック図を示したものであり、本実施形態では、入力信号微分手段３１、劣化パラメータ読み出し手段３２、劣化パラメータルックアップテーブル３３、乗加算手段３４より構成されている。
入力信号微分手段３１は、観測画像ｇを微分する手段であり、ここでは１次微分を実行するソーベルフィルタ、２次微分を実行するラプラシアンフィルタ、２つのフィルタを用いている。
劣化パラメータルックアップテーブル３３には、観測画像ｇの画素位置（ｘ、ｙ）、及び、光学系１１の光学特性に応じた劣化パラメータａ1、ａ2、…ａnが予め記憶されてい
る。このように、本実施形態では、光学系１１の設計値に基づくルックアップテーブルを予め用意しておくことで、演算時間を短縮することができる。なお、ソーベルフィルタとラプラシアンフィルタを用いた場合は、劣化パラメータルックアップテーブル３３から読み出す係数はａ1、ａ2までになるので、ａ3〜ａnは使わなくても良い。
劣化パラメータの取得は、このようなルックアップテーブル３３を用意することに代え、光学特性からリアルタイム演算により算出したり、光学特性に沿った近似式を予め複数用意したりしておき、選択的に利用して演算することとしてもよい。
劣化パラメータ読み出し手段３２は、この劣化パラメータルックアップテーブル３３から、画素の位置（ｘ、ｙ）に応じた値を読み出して、乗加算手段３４に出力する。
乗加算手段３４は、入力信号微分手段３１から出力される信号と読み出された劣化パラメータを乗加算するとともに、観測画像ｇを加算して回復画像ｆの出力を行う。
図２０は、画像回復処理を外部装置にて行う場合の撮像装置１０の構成、並びに、当該撮像装置１０と外部装置２０からなる撮像システムの構成を示した概略図である。本実施形態は、画像回復処理３０を外部装置２０にて行う構成としている。
撮像装置１０は、光学系１１、撮像素子１２、第１画像処理手段１４、第１制御手段１３を備え、それぞれの構成は、図１８で説明した撮像装置で同符号を有する構成と同様である。また本実施形態では、第１通信手段１５が設けられている。この第１通信手段１５は、撮像装置１０で撮像した画像（観測画像）を外部装置２０に送信する。外部装置２０にて実行される画像回復処理３０において、光学系１１の結像特性が必要とされる場合は、この結像特性を観測画像に対応付くようにして送信することとしてもよい。
一方、外部装置２０は、第２通信手段２１、画像回復処理３０を実行可能とする第２画像処理手段２２、第２制御手段２３が設けられている。第２通信手段２１は、第１通信手段１５から送信された画像を受信するための手段である。これら第１通信手段１５、第２通信手段は有線、無線を問わず各種方式のものを採用することができる。
第２画像処理手段２２では、第２通信手段２１を介して受信した観測画像、あるいは、観測画像と結像特性により画像回復処理３０が実行される。画像回復処理３０が施された画像は、図示しない内部メモリーや、各種インターフェイスを介し、外部メモリーあるいは他の外部装置に出力される。なお、この第２画像処理手段２２では、画像回復処理３０のみだけでなく他の各種画像処理を行うこととしてもよい。
このように、外部装置２０にて画像回復処理３０を実行することで、撮像装置１０内での処理負担を軽減することが可能となる。なお、本実施形態では観測画像など各種情報のやりとりを通信手段１５、２１にて行うこととしたが、各種情報のやりとりは撮像装置１０、外部装置２０に装着可能な外部メモリーを介して行うものであってもよい。
以上、本発明における撮像装置、並びに撮像システムについて説明したが、これら本発明における撮像装置、撮像システムとしては、一般的なデジタルカメラ（ＯＶＦ、ＥＶＦ問わず）のみならず、医療分野などで利用される被検体内部に挿入して観察を行う内視鏡や、被検体となる患者が飲み込むことで体内の観察を行うカプセル内視鏡、あるいは、顕微鏡など各種光学装置に用いることができる。
以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。
Ｌ１…第１レンズ
Ｌ２…第２レンズ
Ｌ３…第３レンズ
Ｓ…明るさ絞り
Ｃ…非球面板
１０…撮像装置
１１…光学系
１２…撮像素子
１３…（第１）制御手段
１４…（第１）画像処理手段
１５…第１通信手段
２０…外部装置
２１…第２通信手段
２２…第２画像処理手段
２３…第２制御手段
３０…画像回復処理
３１…入力信号微分手段
３２…劣化パラメータ読み出し手段
３３…劣化パラメータＬＵＴ
３４…乗加算手段

Claims (25)

  1. 撮像素子と、
    前記撮像素子に被写体の像を結像する光学系と、
    前記撮像素子が出力する観測画像に対して画像処理を実行する画像処理手段を有し、
    前記光学系は、前記撮像素子の設置位置およびその前後の所定距離において略一定なＭＴＦを有することを特徴とする
    撮像装置。
  2. 前記略一定なＭＴＦは、条件式（１）を満足する空間周波数を有することを特徴とする
    請求項１に記載の撮像装置。
    ν＝１／（２×Ｐ×Ａ）、１＜Ａ＜２０ …（１）
    ただし、ν：空間周波数、Ｐ：撮像素子の画素ピッチ
  3. 前記略一定なＭＴＦは、条件式（２）を満足する空間周波数を有することを特徴とする
    請求項１に記載の撮像装置。
    ν＝１／（２×Ｐ×Ａ）、２＜Ａ＜８ …（２）
    ただし、ν：空間周波数、Ｐ：撮像素子の画素ピッチ
  4. 前記略一定なＭＴＦは、条件式（３）を満足する空間周波数を有することを特徴とする
    請求項１に記載の撮像装置。
    ０．００１＜ν／Ｎ＜３ …（３）
    ただし、ν：空間周波数、Ｎ：撮像素子一辺の画素数
  5. 前記光学系は、開放Ｆナンバーにおいて、前記略一定なＭＴＦを有することを特徴とする
    請求項１から請求項４の何れか１項に記載の撮像装置。
  6. 前記略一定なＭＴＦは、コントラストが０にならない範囲で他の空間周波数のＭＴＦと交差することを特徴とする
    請求項１から請求項５の何れか１項に記載の撮像装置。
  7. 前記略一定なＭＴＦは、他の空間周波数のＭＴＦと１０％以下の位置で交差することを特徴とする
    請求項６に記載の撮像装置。
  8. 前記光学系の球面収差特性は、ピークを有することを特徴とする
    請求項１から請求項７の何れか１項に記載の撮像装置。
  9. 前記光学系の球面収差特性は、２つ以上のピークを有することを特徴とする
    請求項８に記載の撮像装置。
  10. 前記球面収差特性のピークは、プラス側とマイナス側に位置することを特徴とする
    請求項９に記載の撮像装置。
  11. 前記光学系は、前記略一定なＭＴＦを実現するための波面制御素子を備えることを特徴とする
    請求項１から請求項１０の何れか１項に記載の撮像装置。
  12. 前記略一定なＭＴＦを実現するための波面制御素子は、非球面を有することを特徴とす
    る
    請求項１１に記載の撮像装置。
  13. 前記略一定なＭＴＦを実現するための波面制御素子は、位相板であることを特徴とする
    請求項１１に記載の撮像装置。
  14. 前記略一定なＭＴＦを実現するための波面制御素子は、１面に複数の曲率を有するレンズであることを特徴とする
    請求項１１に記載の撮像装置。
  15. 前記略一定なＭＴＦを実現するための波面制御素子は、中心と周辺で異なる曲率を有するレンズであることを特徴とする
    請求項１４に記載の撮像装置。
  16. 前記略一定なＭＴＦを実現するための波面制御素子は、１面に３つの曲率を有するレンズであることを特徴とする
    請求項１４または請求項１５の何れか１項に記載の撮像装置。
  17. 前記略一定なＭＴＦを実現するための波面制御素子は、その材質に複屈折結晶が用いられることを特徴とする
    請求項１１から請求項１６の何れか１項に記載の撮像装置。
  18. 前記略一定なＭＴＦを実現するための波面制御素子は、着脱可能とすることを特徴とする
    請求項１１から請求項１７の何れか１項に記載の撮像装置。
  19. 前記画像処理手段において実行される画像処理は、前記撮像素子が出力する観測画像に対して画像回復処理を含むことを特徴とする
    請求項１から請求項１８の何れか１項に記載の撮像装置。
  20. 前記画像回復処理は、前記光学系の結像特性を用いることを特徴とする
    請求項１９に記載の撮像装置。
  21. 前記画像回復処理は、回復画像が下記微分方程式で表される処理を実行することを特徴とする
    請求項２０に記載の撮像装置。
    ｆ（ｘ,ｙ）＝ｇ（ｘ,ｙ）＋ａ1（ｘ,ｙ）・ｇ'（ｘ,ｙ）＋ … ＋ａn（ｘ,ｙ）・ｇ(n)（ｘ,ｙ）
    ただし、
    ｆ：回復画像、ｇ：観測画像、ａ1、ａ2、…ａn：劣化パラメータ
    ｇ(n)：観測画像に対するｎ次微分
  22. 請求項１から請求項１９の何れか１項に記載の撮像装置と、
    前記撮像装置で撮像された観測画像に対して画像回復処理を実行する外部装置とを有することを特徴とする
    撮像システム。
  23. 前記画像回復処理は、前記光学系の結像特性を用いることを特徴とする
    請求項２２に記載の撮像システム。
  24. 前記画像回復処理は、回復画像が下記微分方程式で表される処理を実行することを特徴とする
    請求項２２または請求項２３に記載の撮像システム。
    ｆ（ｘ,ｙ）＝ｇ（ｘ,ｙ）＋ａ1（ｘ,ｙ）・ｇ'（ｘ,ｙ）＋ … ＋ａn（ｘ,ｙ）・ｇ(n)（ｘ,ｙ）
    ただし、
    ｆ：回復画像、ｇ：観測画像、ａ1、ａ2、…ａn：劣化パラメータ
    ｇ(n)：観測画像に対するｎ次微分
  25. 前記撮像装置と前記外部装置はそれぞれ通信手段を備え、
    前記撮像装置で撮像された観測画像を、前記通信手段を介して前記外部装置に送信することを特徴とする
    請求項２２から請求項２４の何れか１項に記載の撮像システム。
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