JP2013258449A - Imaging apparatus and control method of the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an imaging apparatus capable of capturing a main object at a high resolution.SOLUTION: The imaging apparatus capable of generating a plurality of second images with different focal positions by reconfiguring a first image includes: an image formation optical system; an image pickup device that has a plurality of pixels and captures the first image; a pupil division part that lets rays from the same position on an object surface enter mutually different pixels of the image pickup device according to a pupil area of the image formation optical system, through which the ray passes; a focus adjustment part that adjusts an image formation position of the image formation optical system; and an image processing part that generates the second images by reconfiguring the first image captured by the image pickup device using image pickup condition information of the first image. The focus adjustment part performs a first focus adjustment that adjusts an image formation position of the image formation optical system with respect to a reference object, and performs a second focus adjustment that moves an image formation position of the image formation optical system with respect to a main object according to a deviation amount of a pixel composed by the reconfiguration so as to enhance a resolution of the main object.

Description

本発明は、入力画像の再構成を行うことによりピント位置の異なる複数の出力画像を生成可能な撮像装置に関する。   The present invention relates to an imaging apparatus capable of generating a plurality of output images having different focus positions by reconstructing an input image.

近年、撮像素子により得られたデータに対して演算を行い、それに応じたデジタル画像処理を行うことで様々な画像の出力を行う撮像装置が提案されている。非特許文献1および非特許文献2には、「Light Field Photography」を用いて、被写体面上での2次元的な光強度分布と視差情報(これらをまとめて「ライトフィールド」という。)を同時に取得する撮像装置が開示されている。このような撮像装置によれば、ライトフィールドを取得することにより被写体空間の3次元的な情報を得ることができ、撮影後の画像処理によってリフォーカスと呼ばれる画像のピント位置の変更や、被写界深度の調節などが可能となる。しかし、このような撮像装置では、撮像素子の画素を光の2次元強度分布だけでなく、視差情報の保存にも割り当てる必要がある。このため、光の2次元強度分布のみを保存する撮像装置に対して、空間解像度が低下する。   2. Description of the Related Art In recent years, there have been proposed imaging devices that perform various operations on data obtained by an imaging device and perform various digital image processing to output various images. In Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, two-dimensional light intensity distribution and parallax information (collectively referred to as “light field”) on the subject surface are simultaneously used by using “Light Field Photography”. An imaging device to acquire is disclosed. According to such an imaging apparatus, it is possible to obtain three-dimensional information of the subject space by acquiring the light field, and by changing the focus position of the image, called refocusing, The depth of field can be adjusted. However, in such an imaging apparatus, it is necessary to assign the pixels of the imaging element not only to the two-dimensional intensity distribution of light but also to save parallax information. For this reason, a spatial resolution falls with respect to the imaging device which preserve | saves only the two-dimensional intensity distribution of light.

非特許文献2には、結像光学系によって形成された像面のある一点を、レンズアレイを構成する複数の小レンズを用いて複数の小画像を取得する構成が開示されている。このようにして得られた複数の小画像を再構成することで、再構成画像を高解像度化することができる。このような高解像度化手法を「画素ずらし超解像」と呼ぶ。   Non-Patent Document 2 discloses a configuration in which a plurality of small images are acquired from a certain point on an image surface formed by an imaging optical system by using a plurality of small lenses constituting a lens array. By reconstructing a plurality of small images obtained in this way, it is possible to increase the resolution of the reconstructed image. Such a high resolution technique is called “pixel shifting super-resolution”.

Ren Ng,et al.,“Light Field Photography with a Hand−held Plenoptic Camera”,2005 Computer Science Technical Report CTSRRen Ng, et al. , “Light Field Photography with a Hand-held Plenological Camera”, 2005 Computer Science Technical Report CTSR. Todor Georgiev,et al.,“Superresolution with Plenoptic 2.0 Camera”,2009 Optical Society of AmericaTodor Georgiev, et al. , “Superresolution with Plenoptic 2.0 Camera”, 2009 Optical Society of America.

非特許文献2には、特定のピント位置において画素ずらし超解像の効果を得る方法が開示されている。しかしながら、任意のピント位置へリフォーカスした画像を生成する際の画素ずらし超解像の効果に関しては開示されていない。画素ずらし超解像の効果は、ピント位置に応じて変化するため、リフォーカス可能な範囲内に特定のピント位置より高解像になるピント位置が存在する場合がある。このように、撮影時にユーザーの指定した被写体(主被写体)は、必ずしも高解像度となるピント位置に存在していない。   Non-Patent Document 2 discloses a method of obtaining a super-resolution effect by shifting pixels at a specific focus position. However, there is no disclosure regarding the effect of pixel shift super-resolution when generating an image refocused to an arbitrary focus position. Since the effect of pixel-resolved super-resolution changes depending on the focus position, there may be a focus position where the resolution is higher than a specific focus position within a refocusable range. As described above, the subject (main subject) designated by the user at the time of shooting does not necessarily exist at the focus position where the resolution is high.

そこで本発明は、主被写体を高解像度で取得可能な撮像装置および撮像装置の制御方法を提供する。   Therefore, the present invention provides an imaging apparatus capable of acquiring a main subject with high resolution and a method for controlling the imaging apparatus.

本発明の一側面としての撮像装置は、第1画像の再構成を行うことによりピント位置の異なる複数の第2画像を生成可能な撮像装置であって、結像光学系と、複数の画素を備え、前記第1画像を取得する撮像素子と、被写体面の同一位置からの光線を、該光線が通過する前記結像光学系の瞳領域に応じて、前記撮像素子の互いに異なる画素に入射させる瞳分割部と、前記結像光学系の結像位置を調整するピント調整部と、前記撮像素子で取得された前記第1画像に対して、該第1画像の撮影条件情報を用いた前記再構成を行うことにより、前記第2画像を生成する画像処理部とを有し、前記ピント調整部は、基準被写体に対する前記結像光学系の結像位置を調整する第1ピント調整と、前記再構成により合成される画素のずれ量に応じて、主被写体の解像度を高めるように該主被写体に対する前記結像光学系の結像位置を移動させる第2ピント調整とを行う。   An imaging apparatus according to one aspect of the present invention is an imaging apparatus that can generate a plurality of second images having different focus positions by reconstructing a first image, and includes an imaging optical system and a plurality of pixels. An image sensor that acquires the first image and a light beam from the same position on the subject surface is incident on different pixels of the image sensor according to a pupil region of the imaging optical system through which the light beam passes. A pupil division unit, a focus adjustment unit that adjusts the imaging position of the imaging optical system, and the first image acquired by the image sensor using the imaging condition information of the first image. An image processing unit that generates the second image by performing the configuration, and the focus adjustment unit includes a first focus adjustment that adjusts an imaging position of the imaging optical system with respect to a reference subject, Depending on the amount of displacement of the pixels synthesized by the configuration, For the main subject so as to increase the resolution of Utsushitai performing a second focus adjustment to move the imaging position of the imaging optical system.

本発明の他の側面としての撮像装置の制御方法は、第1画像の再構成を行うことによりピント位置の異なる複数の第2画像を生成可能な撮像装置の制御方法であって、前記撮像装置に含まれる結像光学系の基準被写体に対する結像位置を調整する第1ピント調整を行うステップと、前記再構成により合成される画素のずれ量に応じて、主被写体の解像度を高めるように該主被写体に対する前記結像光学系の結像位置を移動させる第2ピント調整を行うステップと、前記撮像装置の撮影により前記第1画像を取得するステップとを有する。   An imaging apparatus control method according to another aspect of the present invention is an imaging apparatus control method capable of generating a plurality of second images having different focus positions by reconstructing a first image, the imaging apparatus The first focus adjustment for adjusting the imaging position of the imaging optical system included in the imaging optical system with respect to the reference subject, and the resolution of the main subject to increase the resolution of the main subject according to the shift amount of the pixel synthesized by the reconstruction Performing a second focus adjustment for moving an imaging position of the imaging optical system with respect to a main subject; and acquiring the first image by photographing with the imaging device.

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。   Other objects and features of the present invention are illustrated in the following examples.

本発明によれば、主被写体を高解像度で取得可能な撮像装置および撮像装置の制御方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an imaging apparatus capable of acquiring a main subject with high resolution and a control method for the imaging apparatus.

実施例1における撮像光学系の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of an imaging optical system in Embodiment 1. FIG. 実施例2における撮像光学系の概略構成図である。6 is a schematic configuration diagram of an imaging optical system in Embodiment 2. FIG. 実施例3における撮像光学系の概略構成図である。6 is a schematic configuration diagram of an imaging optical system in Embodiment 3. FIG. 実施例1、2における撮像装置のブロック図である。1 is a block diagram of an imaging apparatus in Embodiments 1 and 2. FIG. 実施例1におけるリフォーカス画像の生成方法に関する説明図である。6 is an explanatory diagram relating to a refocus image generation method according to Embodiment 1. FIG. 実施例1におけるリフォーカス範囲の説明図である。6 is an explanatory diagram of a refocus range in Embodiment 1. FIG. 仮想結像面の位置とリフォーカス画像の空間解像度の関係の説明図である。It is explanatory drawing of the relationship between the position of a virtual image plane, and the spatial resolution of a refocus image. 実施例1、2における撮像装置の撮影手順を示すフローチャートである。6 is a flowchart illustrating a shooting procedure of the imaging apparatus according to the first and second embodiments. 実施例2におけるリフォーカス画像の生成方法に関する説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram relating to a refocus image generation method according to the second embodiment. 実施例2におけるリフォーカス範囲の説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram of a refocus range in Embodiment 2. 実施例2における再構成処理時に重なり合う画素の数に関する説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram relating to the number of overlapping pixels during reconstruction processing in the second embodiment. 実施例3における画像処理システムのブロック図である。FIG. 10 is a block diagram of an image processing system in Embodiment 3. 実施例3における撮像装置のブロック図である。FIG. 10 is a block diagram of an imaging apparatus in Embodiment 3. 実施例3における撮像装置の撮影手順を示すフローチャートである。10 is a flowchart illustrating a shooting procedure of the imaging apparatus according to the third embodiment.

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each figure, the same members are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

本実施形態の撮像装置および撮像装置の制御方法は、第1画像(入力画像)の再構成を行うことによりピント位置の異なる複数の第2画像(出力画像)を生成可能である。また、本実施形態の撮像装置は、正の屈折力を有する複数の光学系を配列し、または、結像光学系の像側にレンズアレイを配置することにより、ライトフィールドを取得可能に構成されている。第1画像は、このような撮像装置(撮像素子)で取得された画像である。また、第2画像を生成する際は、第1画像に対してデモザイキング等の処理を施した画像を用いてもよい。   The imaging apparatus and the imaging apparatus control method of the present embodiment can generate a plurality of second images (output images) having different focus positions by reconstructing the first image (input image). In addition, the imaging apparatus of the present embodiment is configured to be able to acquire a light field by arranging a plurality of optical systems having positive refractive power or arranging a lens array on the image side of the imaging optical system. ing. A 1st image is an image acquired with such an imaging device (imaging element). Further, when generating the second image, an image obtained by performing processing such as demosaicing on the first image may be used.

図1乃至図3は、本実施形態における撮像装置を構成する撮像光学系の例である。撮像光学系とは、結像光学系および撮像素子を備えて構成されており、レンズアレイが設けられている場合にはレンズアレイを含めて撮像光学系が構成される。図1乃至図3中に示される被写体面201の上には、人物や物体が必ずしも存在していなくてよい。これは、再構成処理によって、被写体面201よりも奥または手前に存在する人物や物体に対して、撮影後でもピントを合わせることができるためである。また、以下の各実施例の説明は、簡単のために1次元系を用いて行うが、2次元系に関しても同様の議論が成り立つ。   1 to 3 are examples of an imaging optical system that constitutes the imaging apparatus according to the present embodiment. The imaging optical system is configured to include an imaging optical system and an imaging element. When a lens array is provided, the imaging optical system includes the lens array. A person or an object does not necessarily exist on the subject surface 201 shown in FIGS. This is because it is possible to focus on a person or object existing behind or in front of the subject surface 201 by the reconstruction process even after shooting. The following description of each embodiment is performed using a one-dimensional system for the sake of simplicity, but the same argument holds for a two-dimensional system.

まず、図4を参照して、本発明の実施例1における撮像装置の構成について説明する。図4は、本実施例における撮像装置のブロック図である。本実施例の画像処理方法は、撮像装置の画像処理部105により実行される。   First, with reference to FIG. 4, the configuration of the imaging apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a block diagram of the imaging apparatus in the present embodiment. The image processing method of this embodiment is executed by the image processing unit 105 of the imaging apparatus.

瞳分割部102は、被写体面の同一位置からの光線を、光線が通過する結像光学系101の瞳領域に応じて、撮像素子103の互いに異なる画素に入射させる。結像光学系101、瞳分割部102、および、撮像素子103により撮像光学系が構成される。撮影時、被写体空間からの光線は、結像光学系101および瞳分割部102を介して、撮像素子103へ入射する。撮像素子103は、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal−Oxide Semiconductor)などの2次元撮像素子であり、複数の画素を備える。結像光学系101(主レンズ群)および瞳分割部102を介して撮像素子103に入射した光線のエネルギーは電気信号(アナログ信号)となり、A/Dコンバータ104でデジタル信号へ変換される。このデジタル信号は、画像処理部105にて所定の処理が行われ、半導体メモリなどの画像記録媒体110に所定のフォーマットで保存される。この際、同時に状態検知部108から得られた撮像装置の撮像条件情報も保存される。撮影条件情報とは、撮影距離や絞り、ズームレンズにおける焦点距離などである。状態検知部108は、システムコントローラ111から撮影条件情報を直接得てもよいし、撮像光学系に関する情報に関しては光学系制御部107から得ることもできる。   The pupil division unit 102 causes light rays from the same position on the subject surface to enter different pixels of the image sensor 103 according to the pupil region of the imaging optical system 101 through which the light rays pass. The imaging optical system 101, the pupil division unit 102, and the imaging element 103 constitute an imaging optical system. At the time of shooting, light rays from the subject space enter the image sensor 103 via the imaging optical system 101 and the pupil division unit 102. The image sensor 103 is a two-dimensional image sensor such as a CCD (Charge Coupled Device) or a CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), and includes a plurality of pixels. The energy of light incident on the image sensor 103 via the imaging optical system 101 (main lens group) and the pupil division unit 102 becomes an electric signal (analog signal) and is converted into a digital signal by the A / D converter 104. The digital signal is subjected to predetermined processing by the image processing unit 105 and stored in a predetermined format in an image recording medium 110 such as a semiconductor memory. At this time, the imaging condition information of the imaging device obtained from the state detection unit 108 is also saved. The shooting condition information includes a shooting distance, a diaphragm, a focal length in a zoom lens, and the like. The state detection unit 108 may obtain the shooting condition information directly from the system controller 111, or may obtain information about the imaging optical system from the optical system control unit 107.

画像記録媒体110に保存された画像を表示部106に表示する際には、画像処理部105で撮影条件情報に基づいた再構成処理が施される。その結果、表示部106には所望の視点、ピント位置や被写界深度に再構成された画像が表示される。また高速化のため、所望の画像設定(視点、ピント、被写界深度など)を予め記憶部109に保存し、画像記録媒体110を介さずに再構成画像を表示部106に直接表示させてもよい。さらに、画像記録媒体110に記録する画像は、再構成後の画像でもよい。このように画像処理部105は、撮像素子103で取得された第1画像に対して、第1画像の撮影条件情報を用いた再構成を行うことにより、第2画像を生成する。   When the image stored in the image recording medium 110 is displayed on the display unit 106, the image processing unit 105 performs a reconstruction process based on the shooting condition information. As a result, the display unit 106 displays an image reconstructed at a desired viewpoint, focus position, and depth of field. Further, for speeding up, desired image settings (viewpoint, focus, depth of field, etc.) are stored in the storage unit 109 in advance, and the reconstructed image is directly displayed on the display unit 106 without using the image recording medium 110. Also good. Furthermore, the image to be recorded on the image recording medium 110 may be a reconstructed image. In this manner, the image processing unit 105 generates a second image by performing reconstruction using the shooting condition information of the first image on the first image acquired by the imaging element 103.

ユーザーは、システムコントローラ111を用いて撮像装置を制御することにより撮影を行う。本実施例において、撮影前にピント合わせの基準となる被写体を基準被写体、ユーザーが高い解像度でピントを合わせたい被写体を主被写体という。ライトフィールドを取得する撮像装置では、リフォーカスにより撮影後にピント位置を変更可能であるため、基準被写体と主被写体とが一致している必要はない。   The user takes a picture by controlling the imaging apparatus using the system controller 111. In this embodiment, a subject that is a reference for focusing before shooting is referred to as a reference subject, and a subject that the user wants to focus at high resolution is referred to as a main subject. In an imaging device that acquires a light field, the focus position can be changed after shooting by refocusing, so the reference subject and the main subject do not have to match.

光学系制御部107は、結像光学系101を駆動制御する。また、光学系制御部107は、結像光学系101のフォーカス群101aを駆動して、結像光学系101の結像位置を調整するピント調整部107aを有する。ピント調整部107aは、基準被写体が指定された際に結像光学系101のフォーカス群101aを駆動し、基準被写体に対する結像光学系101の結像位置が所定の位置に調整されるように第1ピント調整を行う。本実施例において、結像光学系101のフォーカス群101aは単数または複数枚のレンズを備えて構成され、結像光学系101全体を構成するものであってもよい。   The optical system control unit 107 drives and controls the imaging optical system 101. Further, the optical system control unit 107 includes a focus adjustment unit 107 a that drives the focus group 101 a of the imaging optical system 101 and adjusts the imaging position of the imaging optical system 101. The focus adjustment unit 107a drives the focus group 101a of the imaging optical system 101 when a reference subject is designated, and adjusts the imaging position of the imaging optical system 101 with respect to the reference subject to a predetermined position. 1 Adjust the focus. In this embodiment, the focus group 101a of the imaging optical system 101 may be configured by including one or a plurality of lenses, and may constitute the entire imaging optical system 101.

またピント調整部107aは、フォーカス群101aを駆動して、記憶部109に記憶されたピントずらし量ζだけ結像光学系101の結像位置を移動させる第2ピント調整を行う。すなわちピント調整部107aは、再構成により合成される画素のずれ量に応じて、主被写体の解像度を高めるように主被写体に対する結像光学系101の結像位置を移動させる。第2ピント調整が行われた後、撮影が実行される。ピントずらし量ζは、撮像光学系の構成に応じて決定される量であり、第2ピント調整により主被写体にピントの合った高解像な画像を取得することができる。第1ピント調整および第2ピント調整の詳細に関しては後述する。なお本実施例において、基準被写体と主被写体は一致しているものとする。   The focus adjustment unit 107 a drives the focus group 101 a to perform second focus adjustment for moving the imaging position of the imaging optical system 101 by the focus shift amount ζ stored in the storage unit 109. That is, the focus adjustment unit 107a moves the imaging position of the imaging optical system 101 with respect to the main subject so as to increase the resolution of the main subject in accordance with the shift amount of the pixels synthesized by the reconstruction. After the second focus adjustment is performed, shooting is performed. The focus shift amount ζ is an amount determined according to the configuration of the imaging optical system, and a high-resolution image focused on the main subject can be acquired by the second focus adjustment. Details of the first focus adjustment and the second focus adjustment will be described later. In this embodiment, it is assumed that the reference subject matches the main subject.

以上の一連の制御は、システムコントローラ111により行われ、撮像光学系の機械的な駆動はシステムコントローラ111の指示によって光学系制御部107で行われる。   The series of control described above is performed by the system controller 111, and mechanical driving of the imaging optical system is performed by the optical system control unit 107 according to an instruction from the system controller 111.

次に、図1を参照して、本実施例における撮像光学系の構成について説明する。図1は、撮像光学系の概略構成図である。撮像光学系は、結像光学系101、瞳分割部102(レンズアレイ102a)、および、撮像素子103を備えて構成される。本実施例において、結像光学系101は開口絞り(不図示)を備えている。   Next, the configuration of the imaging optical system in the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an imaging optical system. The imaging optical system includes an imaging optical system 101, a pupil division unit 102 (lens array 102 a), and an imaging element 103. In this embodiment, the imaging optical system 101 includes an aperture stop (not shown).

本実施例において、瞳分割部102として、固体レンズからなるレンズアレイ102aを用いているが、これに限定されるものではなく、ピンホールアレイなど他の構成でもよい。また本実施例において、レンズアレイ102aは複数のレンズ(小レンズ)を用いて構成され、小レンズは固体レンズで構成されている。ただし本実施例はこれに限定されるものではなく、液体レンズ、液晶レンズ、または、回折光学素子などを用いてレンズアレイ102aを構成してもよい。レンズアレイ102aを構成する小レンズは、両側の面が凸形状を有している。ただし本実施例はこれに限定されるものではなく、一方側の面が平面で他方側の面が凸形状を有していてもよい。ただし、レンズアレイ102aを構成する小レンズの像側の面は、凸形状であることが好ましい。これにより、レンズアレイ102aの非点収差を低減し、撮像素子103上で得られる画像が鮮鋭になる。逆に、小レンズの像側面が凸形状でない場合には非点収差が大きくなり、各小レンズによって形成される画像の周辺部がぼけてしまう。この画像のぼけた部分を再構成処理に使用すると、再構成により得られた画像が鮮鋭に形成されない場合がある。また、レンズアレイ102aを構成する小レンズの物体側の面は、平面又は凸形状であることがより好ましい。これにより、小レンズの曲率が緩まって収差が低減し、更に鮮鋭な画像を得ることができる。   In this embodiment, a lens array 102a made of a solid lens is used as the pupil division unit 102. However, the present invention is not limited to this, and other configurations such as a pinhole array may be used. In this embodiment, the lens array 102a is configured by using a plurality of lenses (small lenses), and the small lenses are configured by solid lenses. However, the present embodiment is not limited to this, and the lens array 102a may be configured using a liquid lens, a liquid crystal lens, a diffractive optical element, or the like. The small lens constituting the lens array 102a has convex surfaces on both sides. However, the present embodiment is not limited to this, and the surface on one side may be flat and the surface on the other side may have a convex shape. However, it is preferable that the image side surface of the small lens constituting the lens array 102a has a convex shape. Thereby, the astigmatism of the lens array 102a is reduced, and the image obtained on the image sensor 103 becomes sharp. Conversely, when the image side surface of the small lens is not convex, astigmatism increases, and the peripheral portion of the image formed by each small lens is blurred. If the blurred portion of the image is used for the reconstruction process, the image obtained by the reconstruction may not be sharply formed. Further, it is more preferable that the object-side surface of the small lens constituting the lens array 102a is a flat surface or a convex shape. Thereby, the curvature of the small lens is relaxed, the aberration is reduced, and a sharper image can be obtained.

レンズアレイ102aは、結像光学系101の像側焦点、または、像側焦点よりも像側に配置されている。またレンズアレイ102aは、結像光学系101の射出瞳と撮像素子103とが略共役関係となるように構成されている。略共役関係とは、厳密な共役関係だけでなく実質的に共役関係であると評価される関係をも含む意味である。本実施例において、レンズアレイ102aの物体側主平面の位置を像側ピント面202と定義する。また、像側ピント面202と結像光学系101を介して共役な面が、被写体空間のピントが合った面であるとする。そして、被写体空間のピントが合った面を、被写体面201という。被写体面201からの光線は、結像光学系101およびレンズアレイ102aを通過した後、この光線の被写体面201上での位置と角度に応じて、撮像素子103の異なる画素へ入射し、ライトフィールドが取得される。ここでレンズアレイ102aは、被写体面201上の異なる位置を通過した光線が、同一の画素へ入射するのを防ぐ役割を持つ。その結果、撮像素子103では、被写体面201上の同一の領域を複数の視点から撮影した画素群が並んだ画像が取得される。図1の構成では、被写体面201上の同一の領域を3つの画素(2次元では9画素)が撮像している。したがって、本実施例の撮像光学系は、光の2次元強度分布のみを取得する撮像光学系に対して空間解像度が1/3(2次元系では1/9)に低下する。この性質は、被写体面201上の同一の領域を撮像する画素の数が変化しても同じである。   The lens array 102a is disposed on the image side focal point of the imaging optical system 101 or on the image side with respect to the image side focal point. The lens array 102a is configured such that the exit pupil of the imaging optical system 101 and the image sensor 103 have a substantially conjugate relationship. The substantially conjugate relationship means not only a strict conjugate relationship but also a relationship that is evaluated to be substantially a conjugate relationship. In this embodiment, the position of the object side main plane of the lens array 102a is defined as the image side focus surface 202. Further, it is assumed that a conjugate plane through the image side focusing surface 202 and the imaging optical system 101 is a surface in which the subject space is in focus. A surface in which the subject space is in focus is referred to as a subject surface 201. A light ray from the subject surface 201 passes through the imaging optical system 101 and the lens array 102a, and then enters a different pixel of the image sensor 103 according to the position and angle of the light ray on the subject surface 201, and the light field. Is acquired. Here, the lens array 102a has a role of preventing light rays that have passed through different positions on the subject surface 201 from entering the same pixel. As a result, the image sensor 103 acquires an image in which pixel groups obtained by photographing the same region on the subject surface 201 from a plurality of viewpoints are arranged. In the configuration of FIG. 1, three pixels (9 pixels in two dimensions) capture the same region on the subject surface 201. Therefore, in the imaging optical system of the present embodiment, the spatial resolution is reduced to 1 / (1/9 in the two-dimensional system) as compared with the imaging optical system that acquires only the two-dimensional light intensity distribution. This property is the same even if the number of pixels that capture the same region on the subject surface 201 changes.

続いて、本実施例におけるリフォーカス処理について説明する。リフォーカス処理に関しては、「Fourier Slice Photography」(Ren Ng著、2005 ACM Trans. Graph.24,735−744参照)にて詳述されているため、ここでは簡単に説明する。図5を参照して、リフォーカス画像を生成する方法の一例について説明する。図5(a)、(b)は、図1に示される撮像光学系において、レンズアレイ102aと撮像素子103の部分を詳細に示した図である。図5(a)、(b)中の一点鎖線は、各画素の中心と、この画素に対応した小レンズの主平面と光軸の交点を結んだ直線である。仮想結像面203は、リフォーカスによりピントを合わせようとする物体側の面に対する結像光学系101の像側共役面である。ただし本実施例において、像側共役面がレンズアレイ102aの物体側主平面よりも像側に位置した場合、像側共役面をレンズアレイ102aの主平面間隔だけ像側へ移動した面が仮想結像面203となる。撮像素子103で得られた画素値を、一点鎖線に沿って仮想結像面203へ平行移動させて重なり合う画素を合成することで、所望のピント位置でのリフォーカス画像を生成することができる。   Next, refocus processing in the present embodiment will be described. The refocus processing is described in detail in “Fourier Slice Photograph” (see Ren Ng, 2005 ACM Trans. Graph. 24, 735-744), and will be briefly described here. An example of a method for generating a refocus image will be described with reference to FIG. FIGS. 5A and 5B are diagrams showing in detail the lens array 102a and the image sensor 103 in the image pickup optical system shown in FIG. 5 (a) and 5 (b) is a straight line connecting the center of each pixel and the intersection of the optical axis with the principal plane of the small lens corresponding to this pixel. The virtual imaging plane 203 is an image side conjugate plane of the imaging optical system 101 with respect to the object side plane to be focused by refocusing. However, in this embodiment, when the image-side conjugate surface is positioned on the image side with respect to the object-side main plane of the lens array 102a, a surface obtained by moving the image-side conjugate surface to the image side by the main-plane interval of the lens array 102a is virtually connected. It becomes the image plane 203. A refocus image at a desired focus position can be generated by synthesizing overlapping pixels by translating the pixel value obtained by the image sensor 103 to the virtual imaging plane 203 along a one-dot chain line.

例えば、図1中の被写体面201にピントの合った画像を生成するには、図5(b)に示されるように、被写体面201と結像光学系101を介して共役な面、すなわちレンズアレイ102aの主平面(像側主平面)に仮想結像面203を設定すればよい。このとき、仮想結像面203は、像側ピント面202、または、像側ピント面202からレンズアレイ102aの主平面間隔だけ像側へ移動した位置と一致している。図5(a)、(b)において、リフォーカス画像生成の際の平行移動した画素は、破線で表され、分りやすくするために重ねずにずらして描画している。図5(a)、(b)に示されるように、任意のリフォーカス画像を生成する際、画素に入射した光束が通過した結像光学系101の瞳領域が同じである場合、それらの画素は平行移動量が同じであることが分かる。したがって、リフォーカス画像生成時の画素の操作は、画素に入射する光束が通過した結像光学系101の瞳領域に応じて決定される。   For example, in order to generate an image focused on the subject surface 201 in FIG. 1, as shown in FIG. 5B, a conjugate surface, that is, a lens via the subject surface 201 and the imaging optical system 101 is used. The virtual imaging plane 203 may be set on the main plane (image side main plane) of the array 102a. At this time, the virtual imaging surface 203 coincides with the image side focusing surface 202 or the position moved from the image side focusing surface 202 to the image side by the main plane interval of the lens array 102a. In FIGS. 5A and 5B, the pixels that are moved in parallel at the time of generating the refocus image are represented by broken lines, and are drawn without being overlaid for easy understanding. As shown in FIGS. 5A and 5B, when an arbitrary refocus image is generated, if the pupil regions of the imaging optical system 101 through which the light beams incident on the pixels pass are the same, those pixels Shows that the amount of translation is the same. Therefore, the operation of the pixel when generating the refocus image is determined according to the pupil region of the imaging optical system 101 through which the light beam incident on the pixel has passed.

次に、リフォーカスが可能な範囲に関して説明する。結像光学系101の開口径は有限であるため、撮像素子103で得られるライトフィールドの角度成分、すなわち視差情報も有限である。したがって、リフォーカスが可能な範囲は、有限の範囲に限定される。ここで、光の2次元強度分布をライトフィールドの空間成分と呼ぶ。このとき、リフォーカス範囲は、空間成分のサンプリングピッチΔy(結像光学系101を介して主被写体と共役な面でのサンプリングピッチ)および角度成分のサンプリングピッチΔuにより決定され、その係数α±は以下の式(1)のように与えられる。 Next, the range in which refocusing is possible will be described. Since the aperture diameter of the imaging optical system 101 is finite, the angle component of the light field obtained by the image sensor 103, that is, parallax information is also finite. Therefore, the refocusable range is limited to a finite range. Here, the two-dimensional intensity distribution of light is called a light field spatial component. At this time, the refocus range is determined by the sampling pitch Δy of the spatial component (sampling pitch on the surface conjugate with the main subject via the imaging optical system 101) and the sampling pitch Δu of the angular component, and the coefficient α ± is It is given by the following equation (1).

式(1)を用いて表される像側のリフォーカス範囲α〜αと、結像光学系101に対して共役な範囲が、物体側のリフォーカス範囲となる。ここでsは、結像光学系101の像側主平面と像側ピント面202との間隔である。 The refocusing range α + s 2 to α s 2 on the image side expressed using Expression (1) and the range conjugate to the imaging optical system 101 are the refocusing range on the object side. Here, s 2 is the distance between the image-side main plane of the imaging optical system 101 and the image-side focus surface 202.

図6は、リフォーカス範囲の説明図である。図6に示される構成例では、レンズアレイ102aの1次元的な周期が3画素となっているため、空間成分のサンプリングピッチΔyは、撮像素子103の画素ピッチの3倍となる。角度成分のサンプリングピッチΔuは、結像光学系101の射出瞳が3分割(2次元では9分割)されているため、射出瞳径の1/3となる。式(1)で表されるリフォーカス範囲を超えると、取得したライトフィールドでは情報が不足し、正しいリフォーカス画像を生成することができない。式(1)は、撮像素子103の画素ピッチΔが結像光学系101の瞳距離Pに対して十分小さいことから、次の式(2)のように近似できる。   FIG. 6 is an explanatory diagram of the refocus range. In the configuration example shown in FIG. 6, since the one-dimensional period of the lens array 102 a is 3 pixels, the spatial component sampling pitch Δy is three times the pixel pitch of the image sensor 103. The sampling pitch Δu of the angle component is 1/3 of the exit pupil diameter because the exit pupil of the imaging optical system 101 is divided into three (9 in two dimensions). If the refocus range represented by Expression (1) is exceeded, the acquired light field lacks information, and a correct refocus image cannot be generated. Expression (1) can be approximated as the following expression (2) because the pixel pitch Δ of the image sensor 103 is sufficiently small with respect to the pupil distance P of the imaging optical system 101.

ここで、結像光学系101の瞳距離Pとは、結像光学系101の射出瞳面と被写体面201に対する結像光学系101の像側共役面との間の距離である。また、Nはレンズアレイ102aによる結像光学系101の瞳の1次元分割数、Fは結像光学系101のF値、ΔLAはレンズアレイ102aのピッチである。ΔLAは、瞳分割部102がピンホールアレイなどの場合は、その構造周期となる。図5の一点鎖線に沿って、ある小レンズに対応した画素群を平行移動させると、式(2)の最大リフォーカス量を超えたところで、各画素の間隔がΔyより大きくなり、情報が欠落した領域が生じる。この場合、正しいリフォーカス画像を生成することができない。 Here, the pupil distance P of the imaging optical system 101 is a distance between the exit pupil plane of the imaging optical system 101 and the image side conjugate plane of the imaging optical system 101 with respect to the subject surface 201. Further, N represents 1-dimensional division number of the pupil of the imaging optical system 101 by the lens array 102a, F is F number of the imaging optical system 101, the delta LA is the pitch of the lens array 102a. Delta LA is the pupil division unit 102 in the case of such pinhole array becomes the structural period. When the pixel group corresponding to a certain small lens is translated along the alternate long and short dash line in FIG. 5, when the maximum refocus amount of Expression (2) is exceeded, the interval between the pixels becomes larger than Δy and information is lost. The resulting area. In this case, a correct refocus image cannot be generated.

次に、画像再構成時の画素ずらし超解像に関して説明する。図5(a)を参照すると、仮想結像面203において、平行移動した画素が互いにずれて重なり合っている(オーバーラップしている)ことが分かる(オーバーラップ画素)。これらを合成することにより、見かけの画素サイズ(見かけの画素ピッチ)を小さくすることができる。これを画素ずらし超解像と呼ぶ。一方、図5(b)のように平行移動した画素がずれずに一致して重なり合っている場合、画素ずらし超解像の効果を得ることはできず、高解像度化を図ることはできない。重なり合っている画素のずれは、画素を平行移動する仮想結像面203の位置に応じて変化するため、画素ずらし超解像の効果も仮想結像面203により変化する。   Next, pixel shift super-resolution at the time of image reconstruction will be described. Referring to FIG. 5A, it can be seen that in the virtual imaging plane 203, the parallelly moved pixels are shifted from each other and overlapped (overlapped). By combining these, the apparent pixel size (apparent pixel pitch) can be reduced. This is called super-resolution by shifting pixels. On the other hand, as shown in FIG. 5B, when the pixels moved in parallel coincide with each other without being shifted, the effect of super-resolution by shifting the pixels cannot be obtained, and the resolution cannot be increased. Since the shift of the overlapping pixels changes according to the position of the virtual imaging plane 203 that translates the pixels, the effect of pixel shifting super-resolution also changes depending on the virtual imaging plane 203.

ここで、画素ずらし超解像により小さくなった見かけの画素ピッチの中で、最も大きい画素ピッチがリフォーカス画像の解像度を決定すると定義する。また、解像度を決定する画素ピッチを見かけの画素ピッチの最大値と定義する。このとき、被写体面201の同一の領域を撮像している1次元方向の画素数がn画素であるとする。ここで、nは結像光学系101の1次元瞳分割数に対応している。画素が1/n画素ずつずれていれば、見かけの画素ピッチの最大値が最小となり、リフォーカス画像が最も高解像度になる。   Here, it is defined that the largest pixel pitch determines the resolution of the refocused image among the apparent pixel pitches reduced by the pixel-shifted super-resolution. Also, the apparent pixel pitch that determines the resolution is defined as the maximum value of the apparent pixel pitch. At this time, it is assumed that the number of pixels in the one-dimensional direction capturing the same region of the subject surface 201 is n pixels. Here, n corresponds to the number of one-dimensional pupil divisions of the imaging optical system 101. If the pixels are shifted by 1 / n pixels, the maximum apparent pixel pitch is minimum, and the refocused image has the highest resolution.

図5(a)に示した状態は、n=3であり、仮想結像面203上で各画素が1/3画素ずつずれているため、リフォーカス画像が最も高解像となる状態である。図5から、同様の効果を得られるリフォーカス画像のピント位置は、リフォーカス範囲内に4点存在していることが分かる。逆に、図5(b)のように平行移動した画素が一致して重なり合っている場合、画素ずらし超解像を行うことはできない。図7は、この関係を模式的に示す図であり、横軸は仮想結像面203の位置、縦軸は画素ずらし超解像を含めたリフォーカス画像の空間解像度である。   The state shown in FIG. 5A is a state where n = 3 and each pixel is shifted by 1/3 pixel on the virtual imaging plane 203, so that the refocus image has the highest resolution. . From FIG. 5, it can be seen that there are four focus positions of the refocus image that can achieve the same effect within the refocus range. On the other hand, when the parallelly moved pixels coincide and overlap as shown in FIG. 5B, pixel-shifted super-resolution cannot be performed. FIG. 7 is a diagram schematically showing this relationship, where the horizontal axis represents the position of the virtual imaging plane 203 and the vertical axis represents the spatial resolution of the refocused image including pixel-resolved super-resolution.

次に、本実施例におけるピント調整部107aに関して説明する。ピント調整部107aは、結像光学系101のフォーカス群101aを駆動することで、第1ピント調整および第2ピント調整を行う。第1ピント調整では、基準被写体に対する結像光学系101の結像位置を、像側ピント面202へ位置させる。この調整では、例えば以下の方法が用いられる。本実施例の構成において、被写体面201上のある位置を通過した複数の光線は、図1に示されるように同一の小レンズへ入射する。この小レンズに対応した画素群の信号を比較することにより、ピントが合っているか否かを判定することができる。基準被写体のエッジ部分を撮像している画素群の信号の相関が高い場合、主被写体は被写体面201上に存在し、ピントが合っていることとなる。逆に、基準被写体が被写体面201上に存在しない場合、画素群の信号の相関が低くなる。   Next, the focus adjustment unit 107a in the present embodiment will be described. The focus adjustment unit 107a performs the first focus adjustment and the second focus adjustment by driving the focus group 101a of the imaging optical system 101. In the first focus adjustment, the imaging position of the imaging optical system 101 with respect to the reference subject is positioned on the image side focusing surface 202. In this adjustment, for example, the following method is used. In the configuration of this embodiment, a plurality of light beams that have passed through a certain position on the subject surface 201 are incident on the same small lens as shown in FIG. By comparing the signals of the pixel groups corresponding to this small lens, it can be determined whether or not the subject is in focus. When the correlation of the signal of the pixel group that captures the edge portion of the reference subject is high, the main subject exists on the subject surface 201 and is in focus. On the contrary, when the reference subject does not exist on the subject surface 201, the correlation of the signals of the pixel group becomes low.

または、画像のコントラストから第1ピント調整を行ってもよい。コントラストを算出する画像は、結像光学系101の同一の瞳領域を通過した光線が入射した画素だけを抜き出した画像でもよいし、また、撮像素子103で得られた第1画像を画像処理したものでもよい。一例として、各々の小レンズに対応した画素群を足し合わせて1画素とした画像や、図5(b)に示されるように重なり合う画素を合成した再構成画像などが挙げられる。また、コントラストの算出に用いられる画像は、撮像素子103で取得された画角の全体を使用してもよいし、基準被写体近傍のみでもよい。   Alternatively, the first focus adjustment may be performed from the contrast of the image. The image for calculating the contrast may be an image obtained by extracting only pixels on which light rays that have passed through the same pupil region of the imaging optical system 101 are incident, or the first image obtained by the image sensor 103 is subjected to image processing. It may be a thing. As an example, an image obtained by adding pixel groups corresponding to each small lens to one pixel, a reconstructed image obtained by combining overlapping pixels as shown in FIG. In addition, the image used for calculating the contrast may use the entire angle of view acquired by the image sensor 103, or only the vicinity of the reference subject.

前述のとおり、像側ピント面202にピントを合わせた画像は、図5(b)を参照して説明したように、画素ずらし超解像の効果を得ることができない。しかし本実施例において、基準被写体と主被写体は一致している。したがって、ユーザーの指定した被写体(主被写体)を高解像にする(解像度を高める)には、撮影前に結像光学系101の結像位置をずらして、画素ずらし超解像の効果が得られるようにすればよい。このとき行われるピント調整が、第2ピント調整である。ここで、第2ピント調整の際の像側におけるピント位置のずらし量を、ピントずらし量ζとする。また、ピントずらし量ζだけピント位置をずらした後の、像側ピント面202から主被写体に対応する結像光学系101の仮想結像面203までの距離をηとする。   As described above, as described with reference to FIG. 5B, the image focused on the image-side focusing surface 202 cannot obtain the effect of super-resolution by shifting pixels. However, in this embodiment, the reference subject and the main subject coincide. Therefore, in order to increase the resolution (increase the resolution) of the subject specified by the user (main subject), the imaging position of the imaging optical system 101 is shifted before shooting, and the effect of super-resolution is obtained by shifting the pixels. You can make it. The focus adjustment performed at this time is the second focus adjustment. Here, the shift amount of the focus position on the image side at the time of the second focus adjustment is defined as a focus shift amount ζ. Further, the distance from the image-side focusing surface 202 to the virtual imaging plane 203 of the imaging optical system 101 corresponding to the main subject after shifting the focusing position by the focusing shift amount ζ is η.

図7にηの一例を示す。本実施例では基準被写体と主被写体は一致しているため、ζ=ηである。しかし、基準被写体と主被写体が異なる場合、撮像装置から両者までの距離が等しい場合を除いて、ζ≠ηである。図7から、仮想結像面203が像側ピント面202に一致している場合(x=s)に対して、x=s+ζ=s+ηでは再構成画像の解像度が高くなっていることが分かる。このため、主被写体の像がx=s+ζ=s+ηの位置に結像するように結像位置をずらすことにより、主被写体にピントがあった高解像な画像を生成することができる。本実施例において、ピントずらし量ζは、画素ずらし超解像を含めた再構成画像における空間解像度の向上を図る量である。したがって、第2ピント調整は、近軸結像面からMTF(Modulation Transfer Function)が高くなるようにピント位置を調整する従来のピント補正とは、その物理的意味が異なる。 FIG. 7 shows an example of η. In this embodiment, since the reference subject and the main subject coincide, ζ = η. However, if the reference subject and the main subject are different, ζ ≠ η unless the distance from the imaging device to both is equal. From FIG. 7, when the virtual imaging surface 203 coincides with the image-side focusing surface 202 (x = s 2 ), the resolution of the reconstructed image becomes higher when x = s 2 + ζ = s 2 + η. I understand that. For this reason, it is possible to generate a high-resolution image in which the main subject is in focus by shifting the imaging position so that the image of the main subject is formed at the position of x = s 2 + ζ = s 2 + η. it can. In this embodiment, the focus shift amount ζ is an amount for improving the spatial resolution in the reconstructed image including the pixel shift super-resolution. Therefore, the second focus adjustment has a different physical meaning from the conventional focus correction in which the focus position is adjusted so that MTF (Modulation Transfer Function) becomes higher from the paraxial image plane.

ここまでで、本実施例における撮像光学系の構成と、リフォーカス、および、ピント調整に関して説明した。次に、図8を参照して、本実施例における撮像装置を用いた撮影手順(撮像装置の制御方法)について説明する。図8は、本実施例における撮影手順のフローチャートである。図8のフローチャートの各ステップは、システムコントローラ111の指令に基づいてピント調整部107aなどにより実行される。   Up to this point, the configuration, refocus, and focus adjustment of the imaging optical system in the present embodiment have been described. Next, with reference to FIG. 8, the imaging procedure (imaging device control method) using the imaging device in the present embodiment will be described. FIG. 8 is a flowchart of the photographing procedure in the present embodiment. Each step of the flowchart of FIG. 8 is executed by the focus adjustment unit 107a or the like based on a command from the system controller 111.

まずステップS001において、ユーザーは、ピントを合わせたい基準被写体を指定する。続いてステップS002において、ステップS001で指定された基準被写体に従い、ピント調整部107aは第1ピント調整を行う。具体的には、ピント調整部107aは、基準被写体に対する結像光学系101の結像位置が像側ピント面202に一致するように、結像光学系101のフォーカス群101aを駆動する。結像位置が像側ピント面202に一致しているか否かを判定する方法としては、例えば前述の方法などが用いられるが、これに限定されるものではない。ここで、基準被写体の結像光学系101による像のMTFが、像側ピント面202において高くなるようにピント位置の補正を行ってもよい。   First, in step S001, the user designates a reference subject to be focused. Subsequently, in step S002, the focus adjustment unit 107a performs the first focus adjustment according to the reference subject specified in step S001. Specifically, the focus adjustment unit 107 a drives the focus group 101 a of the imaging optical system 101 so that the imaging position of the imaging optical system 101 with respect to the reference subject coincides with the image side focusing surface 202. As a method for determining whether or not the imaging position coincides with the image-side focus surface 202, for example, the method described above is used, but is not limited thereto. Here, the focus position may be corrected so that the MTF of the image by the imaging optical system 101 of the reference subject becomes high on the image-side focus surface 202.

次にステップS003において、ピント調整部107aは第2ピント調整を行う。すなわち、再構成により合成される画素のずれ量に応じて、主被写体の解像度を高めるように、ステップS002で決定された結像位置(結像光学系101の結像位置)をピントずらし量ζだけシフトさせる。これは、主被写体にピントが合った再構成画像を生成する際に、ピントずらし量ζだけシフトさせる前の状態と比較して、見かけの画素ピッチの最大値を画素ピッチで除した値が再構成で重なり合う画素の数の逆数に近づくことを意味する。すなわち、ピント調整部107aは、再構成により形成される見かけの画素ピッチの最大値を撮像素子103の画素ピッチで除した値が、再構成で重なり合う画素の数の逆数に近づくように、第2ピント調整を行う。   In step S003, the focus adjustment unit 107a performs second focus adjustment. In other words, the imaging position determined in step S002 (the imaging position of the imaging optical system 101) is shifted by the amount ζ so as to increase the resolution of the main subject in accordance with the shift amount of the pixel synthesized by the reconstruction. Just shift. This is because when the reconstructed image is focused on the main subject, the value obtained by dividing the maximum value of the apparent pixel pitch by the pixel pitch is compared with the state before the shift by the focus shift amount ζ. This means approaching the inverse of the number of overlapping pixels in the configuration. That is, the focus adjustment unit 107a sets the second value so that the value obtained by dividing the maximum value of the apparent pixel pitch formed by the reconstruction by the pixel pitch of the image sensor 103 approaches the reciprocal of the number of overlapping pixels in the reconstruction. Adjust the focus.

主被写体にピントの合った画像がリフォーカスによって生成されるには、ηは式(2)で表されるリフォーカス範囲内、すなわち、−NFΔy≦η≦NFΔyを満たす範囲内に収まっている必要がある。このため、ピント調整部107aは、像側ピント面202と仮想結像面との間の距離がNFΔy以下になるように第2ピント調整を行う。   In order for an image focused on the main subject to be generated by refocusing, η needs to be within the refocusing range represented by Equation (2), that is, within the range satisfying −NFΔy ≦ η ≦ NFΔy. There is. For this reason, the focus adjustment unit 107a performs the second focus adjustment so that the distance between the image-side focus surface 202 and the virtual imaging plane is NFΔy or less.

また、画素ずらし超解像の効果が最も高くなるのは、図5から、s±FΔ、および、α±±FΔの4点である。許容錯乱円の直径をεとすると、結像光学系101の焦点深度は近似的に±Fεで表される。εは、撮像装置に必要とされる性能によって決定される値である。例えば、εは、焦点深度内における点像の広がりとピント位置での点像の広がりの差がユーザーに感知できないように決定される。よって、ηは±Fεの範囲内に収めてもよい。ここで、ε≧Δが満たされるため、最も画素ずらし超解像の効果が高いピント位置であるs±FΔは、必ずs±Fε内に収まる。|η|がFεを超えると、主被写体にピントを合わせたリフォーカス画像におけるピント位置での点像の広がりは、εを超える。このため、画素ずらし超解像によって解像度が高まっても、画像のピント位置がぼけて見えるため、鮮鋭さは低下する。 Further, the pixel shifting effect of the super-resolution becomes highest, from the FIG. 5, s 2 ± FΔ, and a 4-point of α ± s 2 ± FΔ. If the diameter of the allowable circle of confusion is ε, the depth of focus of the imaging optical system 101 is approximately expressed by ± Fε. ε is a value determined by the performance required for the imaging apparatus. For example, ε is determined such that the difference between the spread of the point image within the depth of focus and the spread of the point image at the focus position cannot be detected by the user. Therefore, η may be within the range of ± Fε. Here, since ε ≧ Δ is satisfied, s 2 ± FΔ, which is the focus position where the effect of super-resolution by shifting pixels is the highest, always falls within s 2 ± Fε. When | η | exceeds Fε, the spread of the point image at the focus position in the refocus image focused on the main subject exceeds ε. For this reason, even if the resolution is increased by super-resolution by shifting pixels, the focus position of the image appears to be blurred, and the sharpness is reduced.

また、ηは以下の条件式(3)を満たしていることが望ましい。   Moreover, it is desirable that η satisfies the following conditional expression (3).

ただし、−σ≦η≦σである。ここで、σはレンズアレイ102aの像側主平面と撮像素子103との間の距離である。条件式(3)は、画素ずらし超解像の効果の大きさを表す。σ/(FΔ)が、被写体面201の同一の領域を撮像している1次元方向の画素数を表し、|η/σ|は合成する画素のずれの割合を表す。|η|=FΔの時、条件式(3)の値は1となり、画素ずらし超解像の効果が最も高いことを表す。条件式(3)の値が1から離れるにつれて、画素ずらし超解像の効果が弱まる。条件式(3)の上下限を超えると、十分な画素ずらし超解像の効果を得られなくなる。 However, −σ 2 ≦ η ≦ σ 2 . Here, σ 2 is the distance between the image-side main plane of the lens array 102 a and the image sensor 103. Conditional expression (3) expresses the magnitude of the pixel shift super-resolution effect. σ 2 / (FΔ) represents the number of pixels in the one-dimensional direction capturing the same area of the subject surface 201, and | η / σ 2 | represents the ratio of deviation of the pixels to be combined. When | η | = FΔ, the value of conditional expression (3) is 1, indicating that the effect of super-resolution by shifting pixels is the highest. As the value of conditional expression (3) goes away from 1, the effect of pixel-shifting super-resolution becomes weaker. If the upper and lower limits of conditional expression (3) are exceeded, sufficient pixel shifting and super-resolution effects cannot be obtained.

更に望ましくは、以下の条件式(3a)を満たすことにより、主被写体にピントの合ったより高解像な画像を得ることができる。   More desirably, satisfying the following conditional expression (3a) makes it possible to obtain a higher-resolution image focused on the main subject.

条件式(3a)を満たすことにより、特にnが小さい場合、再構成画像が高解像度となる。例えば、結像光学系101のF値が2.800、撮像素子103の画素ピッチΔが0.006mmの場合を考える。このとき、ζ=η=0.025(mm)とすれば、条件式(3)の値が1.488となり、主被写体にピントの合った高解像度の画像を生成することができる。なお本実施例において、ステップS002およびステップS003を同時に行うように構成してもよい。 By satisfying conditional expression (3a), especially when n is small, the reconstructed image has a high resolution. For example, consider a case where the F value of the imaging optical system 101 is 2.800 and the pixel pitch Δ of the image sensor 103 is 0.006 mm. At this time, if ζ = η = 0.025 (mm), the value of conditional expression (3) becomes 1.488, and a high-resolution image in focus on the main subject can be generated. In this embodiment, step S002 and step S003 may be performed simultaneously.

続いてステップS004において、撮像装置は撮影を行い、第1画像を取得する。第1画像は、画像処理部105にて所定の画像処理を行ってから画像記録媒体110に保存される。または、画像処理部105は、取得した第1画像から主被写体にピントの合った第2画像を生成し、画像記録媒体110に保存するように構成してもよい。画像処理部105は、必要に応じて、リフォーカスと同時に、視点や被写界深度を変更する再構成処理を行ってもよい。さらに、画像の再構成処理の際に、MAP(Maximum a posteriori)推定などの画像推定を併用して、更なる高解像度化を図ってもよい。   Subsequently, in step S004, the imaging apparatus performs shooting and acquires a first image. The first image is stored in the image recording medium 110 after predetermined image processing is performed by the image processing unit 105. Alternatively, the image processing unit 105 may generate a second image focused on the main subject from the acquired first image and store the second image in the image recording medium 110. The image processing unit 105 may perform a reconstruction process for changing the viewpoint and the depth of field simultaneously with the refocusing as necessary. Furthermore, at the time of image reconstruction processing, image resolution such as MAP (Maximum a posteriori) estimation may be used in combination to further increase the resolution.

以上の構成により、本実施例によれば、主被写体を高解像度で取得可能な撮像装置および撮像装置の制御方法を提供することができる。   With the above configuration, according to the present embodiment, it is possible to provide an imaging apparatus and an imaging apparatus control method capable of acquiring a main subject with high resolution.

次に、本発明の実施例2について説明する。本実施例における撮像装置の基本構成は、図4を参照して説明した実施例1の撮像装置と同様であるため、それらの説明は省略する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described. Since the basic configuration of the image pickup apparatus in the present embodiment is the same as that of the image pickup apparatus of Embodiment 1 described with reference to FIG. 4, description thereof is omitted.

図2を参照して、本実施例における撮像光学系の構成について説明する。図2は、撮像光学系の概略構成図である。レンズアレイ102aは、結像光学系101の被写体面201に対する像側共役面より物体側へ配置され、像側共役面と撮像素子103とが、レンズアレイ102aを介して共役関係であるように配置されている。本実施例において、像側共役面は像側ピント面202に相当する。被写体面201からの光線は、結像光学系101およびレンズアレイ102aを通過した後、光線の被写体面201上での位置と角度に応じて撮像素子103の異なる画素へ入射し、ライトフィールドが取得される。その結果、撮像素子103では、撮影視点と撮影範囲の異なる複数の小画像が並んだ画像が取得される。   With reference to FIG. 2, the structure of the imaging optical system in a present Example is demonstrated. FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the imaging optical system. The lens array 102a is disposed closer to the object side than the image-side conjugate plane with respect to the object plane 201 of the imaging optical system 101, and is arranged such that the image-side conjugate plane and the image sensor 103 are in a conjugate relationship via the lens array 102a. Has been. In this embodiment, the image side conjugate plane corresponds to the image side focus plane 202. Light rays from the subject surface 201 pass through the imaging optical system 101 and the lens array 102a, and then enter different pixels of the image sensor 103 according to the position and angle of the light rays on the subject surface 201, and the light field is acquired. Is done. As a result, the image sensor 103 acquires an image in which a plurality of small images having different shooting viewpoints and shooting ranges are arranged.

図2に示される撮像光学系は、光の2次元強度分布のみを取得する撮像光学系に対して空間解像度が低下する。これは、結像光学系101が形成した像を、レンズアレイ102aが虚物体として見ることで、撮像素子103へさらに縮小結像するためである。その縮小倍率はσ/σ倍である。ここで、σは像側ピント面202とレンズアレイ102aの物体側主平面の間の距離、σはレンズアレイ102の像側主平面と撮像素子103の間の距離である。したがって、図2に示される撮像光学系は、光の2次元強度分布のみを取得する撮像光学系に対して、2次元的な空間解像度が(σ/σ倍される。 The imaging optical system shown in FIG. 2 has a lower spatial resolution than the imaging optical system that acquires only the two-dimensional intensity distribution of light. This is because the image formed by the imaging optical system 101 is further reduced and formed on the image sensor 103 when the lens array 102a sees it as a virtual object. The reduction ratio is σ 2 / σ 1 times. Here, σ 1 is the distance between the image-side focal plane 202 and the object-side main plane of the lens array 102 a, and σ 2 is the distance between the image-side main plane of the lens array 102 and the image sensor 103. Therefore, in the imaging optical system shown in FIG. 2, the two-dimensional spatial resolution is (σ 2 / σ 1 ) 2 times that of the imaging optical system that acquires only the two-dimensional intensity distribution of light.

次に、図9(a)、(b)を参照して、本実施例におけるリフォーカス画像の生成方法について説明する。図9(a)、(b)は、図2に示される撮像光学系の構成において、レンズアレイ102aと撮像素子103の部分の詳細図である。本実施例において、レンズアレイ102aは、物体側の面が平面で、像側の面が凸形状の小レンズによって構成されている。ただし実施例1と同様に、レンズアレイ102aの形状はこれに限定されるものではない。   Next, with reference to FIGS. 9A and 9B, a method of generating a refocus image in the present embodiment will be described. FIGS. 9A and 9B are detailed views of the lens array 102a and the image sensor 103 in the configuration of the imaging optical system shown in FIG. In the present embodiment, the lens array 102a is constituted by small lenses whose object-side surface is flat and whose image-side surface is convex. However, like the first embodiment, the shape of the lens array 102a is not limited to this.

図9(a)、(b)中の一点鎖線は、各小レンズの画角を示す。撮像素子103で得られた画素値を、画素に対応する小レンズを介して仮想結像面203へ投影して合成することで、仮想結像面203にピントの合ったリフォーカス画像を生成することができる。例えば、図2中の被写体面201にピントの合った画像を生成するには、像側ピント面202に仮想結像面203を設定すればよい。図9(a)、(b)において、リフォーカス画像生成の際に投影した画素は、破線で表され、分りやすくするために重ねずにずらして描画している。リフォーカス画像の生成は、前述した画素を投影する生成方法と、同様の画素の重なりとなるように、各画素を平行移動させて合成する方法でもよい。このとき、画素に入射した光束が通過したレンズアレイ102aの位置が等しい場合、それらの画素の平行移動量は同じになる。以上のとおり、本実施例におけるリフォーカス画像生成時の画素の操作は、対応する撮像素子103の画素に入射する光束が通過した瞳分割部102の位置に応じて決定される。   Dotted lines in FIGS. 9A and 9B indicate the angle of view of each small lens. A pixel value obtained by the image sensor 103 is projected onto the virtual imaging plane 203 through a small lens corresponding to the pixel and synthesized, thereby generating a refocus image focused on the virtual imaging plane 203. be able to. For example, in order to generate an image in focus on the subject plane 201 in FIG. 2, the virtual imaging plane 203 may be set on the image side focusing plane 202. In FIGS. 9A and 9B, the pixels projected at the time of generating the refocus image are represented by broken lines and are drawn without being overlaid for easy understanding. The refocus image may be generated by a method of projecting pixels as described above, or a method of synthesizing by moving each pixel in parallel so that the pixels overlap. At this time, when the positions of the lens arrays 102a through which the light beams incident on the pixels have passed are equal, the parallel movement amounts of the pixels are the same. As described above, the operation of the pixel at the time of generating the refocus image in the present embodiment is determined according to the position of the pupil division unit 102 through which the light beam incident on the pixel of the corresponding image sensor 103 has passed.

続いて、リフォーカス可能な範囲について説明する。本実施例における撮像光学系のリフォーカス範囲も、実施例1と同様に式(1)で表される。その関係は、図10に示されるとおりである。図10は、本実施例におけるリフォーカス範囲の説明図である。本実施例の撮像光学系において、Δy=Δ(σ/σ)、Δu=P/(NF)であり、Δ≪Pであるから、式(1)は以下の式(4)のように書き換えられる。 Next, the refocusable range will be described. The refocus range of the imaging optical system in the present embodiment is also expressed by Expression (1) as in the first embodiment. The relationship is as shown in FIG. FIG. 10 is an explanatory diagram of the refocus range in the present embodiment. In the imaging optical system of the present embodiment, Δy = Δ (σ 1 / σ 2 ), Δu = P / (NF), and Δ << P. Therefore, the equation (1) is expressed by the following equation (4). To be rewritten.

実施例1と同様に式(4)の範囲を超えた場合、正しいリフォーカス画像が生成できなくなる。 As in the first embodiment, when the range of the expression (4) is exceeded, a correct refocus image cannot be generated.

次に、画素ずらし超解像による空間解像度の向上について説明する。図9(a)に示されるように、仮想結像面203へ投影された画素は重なり合っている。図9(a)のように、投影された画素が各々ずれていれば、それらを合成することで見かけの画素ピッチを小さくすることができる。一方、図9(b)に示されるように、投影された画素のずれが画素の整数倍になっている場合、画素ずらし超解像の効果は得られない。画素ずらし超解像によって最も高解像度化が図れるのは、画素がずれている割合が重なり合う画素の数に対応している場合である。具体的には、図9(a)のy=0近傍において、重なり合う画素の数が3であるため、画素ずれの割合が1/3または2/3のときに解像度を最大にすることができる。画素ずれの割合と重なり合う画素の数の関係については、追って詳述する。以上のように本実施例においても、仮想結像面203によって画素ずらし超解像の効果が変化する。したがって、リフォーカス範囲内で、図7に示されるようにリフォーカス画像の解像度が変化する。   Next, the improvement of the spatial resolution by pixel shift super-resolution will be described. As shown in FIG. 9A, the pixels projected onto the virtual imaging plane 203 are overlapped. As shown in FIG. 9A, if the projected pixels are shifted from each other, the apparent pixel pitch can be reduced by combining them. On the other hand, as shown in FIG. 9B, when the projected pixel shift is an integer multiple of the pixel, the pixel shift super-resolution effect cannot be obtained. The highest resolution can be achieved by pixel-shifted super-resolution when the pixel shift ratio corresponds to the number of overlapping pixels. Specifically, in the vicinity of y = 0 in FIG. 9A, the number of overlapping pixels is 3, so that the resolution can be maximized when the pixel shift ratio is 1/3 or 2/3. . The relationship between the pixel shift ratio and the number of overlapping pixels will be described in detail later. As described above, also in the present embodiment, the effect of super-resolution by shifting pixels is changed by the virtual imaging plane 203. Therefore, within the refocus range, the resolution of the refocus image changes as shown in FIG.

次に、本実施例の撮像装置による撮影手法について説明する。本実施例の撮影手法は、図8のフローチャートで表され、実施例1と同様の部分の説明は省略する。   Next, a photographing method using the image pickup apparatus of the present embodiment will be described. The imaging method of the present embodiment is represented by the flowchart of FIG. 8, and the description of the same parts as those of the first embodiment is omitted.

ステップS001においてユーザーが基準被写体を指定し、ステップS002において結像光学系101が形成する基準被写体の像を像側ピント面202に一致させる(第1ピント調整)。その後、ステップS003において、主被写体にピントが合った再構成画像の解像度を高めるためるための第2ピント調整を行う。   In step S001, the user designates a reference subject, and in step S002, the image of the reference subject formed by the imaging optical system 101 is matched with the image-side focus surface 202 (first focus adjustment). Thereafter, in step S003, second focus adjustment is performed to increase the resolution of the reconstructed image focused on the main subject.

ここで、本実施例において、ηが満たすことが好ましい条件について説明する。リフォーカス画像生成時の仮想結像面203における画素ずれの割合は、ΔLAを仮想結像面203上に投影された画素のピッチで割った比ΔLAσ/(Δτ)で表される。ここで、τは結像光学系101の物体側主平面と仮想結像面203との間隔である。また、図9(b)に示されるように画素の整数倍のずれは意味がないため、整数部分は落として考えてよい。したがって、画素ずれの割合δは、以下の式(5)のように表される。 Here, in the present embodiment, conditions that are preferably satisfied by η will be described. Ratio of pixel shift in the refocus image generation time of the virtual imaging plane 203 is represented by the ratio Δ LA σ 2 / divided by the pitch of the pixels projected the delta LA on the virtual imaging plane 203 (.DELTA..tau) . Here, τ is the distance between the object-side main plane of the imaging optical system 101 and the virtual imaging plane 203. Further, as shown in FIG. 9B, since the shift of the integer multiple of the pixels is meaningless, the integer portion may be considered to be dropped. Therefore, the pixel shift ratio δ is expressed as the following equation (5).

ここでz=mod(x,y)は、zがxをyで割った時の剰余に等しいことを表す。ここで、画素ずらし超解像の効果が高く、かつ、高解像度となる仮想結像面203を求める。そのため、まず、仮想結像面203で重なり合う画素の数を見積もる。 Here, z = mod (x, y) represents that z is equal to the remainder when x is divided by y. Here, a virtual imaging plane 203 having a high pixel resolution and high resolution is obtained. Therefore, first, the number of overlapping pixels on the virtual imaging plane 203 is estimated.

図11は、重なり合う画素の数の説明図あり、図9(a)に示される小レンズの番号jを横軸、仮想結像面203上の座標yを縦軸に取ったグラフである。ここで、j=0はレンズアレイ102aの任意の小レンズとしてよい。図11中のy軸に平行な直線は、それぞれj番目の小レンズに対応した画素の集合を仮想結像面203へ投影した場合の座標を表す。これらの直線の上限を結んだものが一点鎖線Aであり、下限を結んだものが一点鎖線Bである。一点鎖線Aはy=ΔLA{j+|τ/(2σ)|}で与えられ、また一点鎖線Bはy=ΔLA{j−|τ/(2σ)|}で与えられる。重なり合う画素の数は、一点鎖線Aと一点鎖線Bのj方向の間隔に対応している。j=0に対応する画素で重なり合う画素の数が最も少なくなるのは、y=0近傍の画素であり、その数は|τ/σ|程度と見積もることができる。 FIG. 11 is an explanatory diagram of the number of overlapping pixels, and is a graph in which the small lens number j shown in FIG. 9A is plotted on the horizontal axis and the coordinate y on the virtual imaging plane 203 is plotted on the vertical axis. Here, j = 0 may be an arbitrary small lens of the lens array 102a. A straight line parallel to the y-axis in FIG. 11 represents coordinates when a set of pixels corresponding to the j-th small lens is projected onto the virtual imaging plane 203. The one connecting the upper limits of these straight lines is the one-dot chain line A, and the one connecting the lower limits is the one-dot chain line B. The one-dot chain line A is given by y = Δ LA {j + | τ / (2σ 2 ) |}, and the one-dot chain line B is given by y = Δ LA {j− | τ / (2σ 2 ) |}. The number of overlapping pixels corresponds to the interval between the dash-dot line A and the dash-dot line B in the j direction. The number of overlapping pixels among the pixels corresponding to j = 0 is the smallest in the vicinity of y = 0, and the number can be estimated to be about | τ / σ 2 |.

続いて、画素ずらし超解像を含めた空間解像度を求める。前述のとおり、最も解像度が高くなるのは、重なり合う画素の数と式(5)で表される画素ずれの割合δが対応している場合である。例えば、画素のオーバーラップ数が8で、画素ずれの割合δが0.45のとき、8つの画素のそれぞれの画素ずれは、0、0.45、0.90、0.35、0.80、0.25、0.70、0.15となる。この場合、解像度を決める見かけの画素ピッチの最大値は0.70−0.45=0.25となる。次に、重なり合う画素の数が同じで、画素ずれの割合δが3/8の場合を考える。このとき、8つの画素のそれぞれの画素ずれは、0、3/8、6/8、1/8、4/8、7/8、2/8、5/8となる。この場合、見かけの画素ピッチの最大値は1/8となり、重なり合う画素の数の逆数と一致する。したがって、最も高い画素ずらし超解像の効果が得られていることとなる。これは、画素ずれの割合δが1/8、5/8、7/8の場合でも同じである。   Subsequently, a spatial resolution including pixel-shifted super-resolution is obtained. As described above, the highest resolution is obtained when the number of overlapping pixels corresponds to the pixel shift ratio δ represented by Expression (5). For example, when the pixel overlap number is 8 and the pixel deviation ratio δ is 0.45, the pixel deviation of each of the eight pixels is 0, 0.45, 0.90, 0.35, 0.80. , 0.25, 0.70, and 0.15. In this case, the maximum apparent pixel pitch that determines the resolution is 0.70−0.45 = 0.25. Next, consider a case where the number of overlapping pixels is the same and the pixel shift ratio δ is 3/8. At this time, the pixel shift of each of the eight pixels is 0, 3/8, 6/8, 1/8, 4/8, 7/8, 2/8, 5/8. In this case, the maximum value of the apparent pixel pitch is 1/8, which matches the reciprocal of the number of overlapping pixels. Therefore, the highest pixel shift super-resolution effect is obtained. This is the same even when the pixel deviation ratio δ is 1/8, 5/8, or 7/8.

ただし、画素ずれの割合δが2/8、4/8、6/8の場合、画素ずらし超解像の効果は低下する。例えば、画素ずれの割合δが2/8の場合を考える。このとき、重なり合う8つの画素のそれぞれの画素ずれは、0、2/8、4/8、6/8、0、2/8、4/8、6/8となり、画素が互いに重なることで見かけの画素ピッチの最大値が2/8=1/4となる。したがって、画素ずれの割合δが1/8、3/8、5/8、7/8のときに対して、画素ずらし超解像の効果は半分になる。このことから、画素ずれの割合δがm/Mに等しいとき、最大の画素ずらし超解像の効果が得られることが分かる。ここで、Mは重なり合う画素の数であり、mはMより小さく、かつMとの最大公約数が1となる整数である。Mは前述したように、τ/σ程度と見積もることができ、画素ずれの割合δがm/Mに近いほど画素ずらし超解像の効果は高くなる。 However, when the pixel shift ratio δ is 2/8, 4/8, or 6/8, the pixel shift super-resolution effect decreases. For example, consider a case where the pixel shift ratio δ is 2/8. At this time, the pixel shift of each of the eight overlapping pixels is 0, 2/8, 4/8, 6/8, 0, 2/8, 4/8, and 6/8. The maximum value of the pixel pitch is 2/8 = 1/4. Therefore, the pixel shift super-resolution effect is halved when the pixel shift ratio δ is 1/8, 3/8, 5/8, or 7/8. From this, it can be understood that the maximum pixel shift super-resolution effect can be obtained when the pixel shift ratio δ is equal to m 0 / M 0 . Here, M 0 is a number from pixels overlapping, m 0 is smaller than M 0, and the greatest common divisor of M 0 is an integer of 1. As described above, M 0 can be estimated to be about τ / σ 2. As the pixel shift ratio δ is closer to m 0 / M 0 , the effect of pixel shift and super-resolution becomes higher.

以上より、ηは以下の条件式(6)を満たす範囲内に収まっていることが望ましい。   As described above, it is desirable that η be within a range that satisfies the following conditional expression (6).

ここでMは、以下の条件式(7)を満たす整数である。 Here, M is an integer that satisfies the following conditional expression (7).

また、mはMより小さく、かつMとの最大公約数が1となる整数である。条件式(6)および条件式(7)は、画素ずらし超解像の効果の大きさを表し、条件式(6)および条件式(7)を満たすことで主被写体にピントの合った高解像な再構成画像が得られる。条件式(6)および条件式(7)の値が1に近くなるにつれて、画素ずらし超解像の効果は高くなる。一方、条件式(6)および条件式(7)の上限または下限を超えると、十分な画素ずらし超解像の効果が得られず、空間解像度の向上が不十分となる。 M is an integer that is smaller than M and whose greatest common divisor with M is 1. Conditional expression (6) and conditional expression (7) represent the magnitude of the pixel-shifting super-resolution effect, and satisfying conditional expression (6) and conditional expression (7) allows high resolution to be focused on the main subject. An image reconstructed image is obtained. As the values of Conditional Expression (6) and Conditional Expression (7) are close to 1, the effect of pixel shift super-resolution becomes higher. On the other hand, when the upper limit or lower limit of conditional expression (6) and conditional expression (7) is exceeded, sufficient pixel shift super-resolution effect cannot be obtained, and the spatial resolution is not improved sufficiently.

望ましくは、以下の条件式(6a)を満たす範囲とすることで、主被写体にピントの合った、より高解像度の再構成画像が得られる。   Desirably, a reconstructed image with higher resolution that is focused on the main subject can be obtained by setting the range to satisfy the following conditional expression (6a).

更に望ましくは、以下の条件式(6b)を満たす範囲とすることで、更なる高解像度化を図ることができる。 More desirably, the resolution can be further increased by setting the range to satisfy the following conditional expression (6b).

また望ましくは、以下の条件式(7a)を満たす範囲、更には条件式(7b)を満たす範囲とすることで、更に高い画素ずらし超解像の効果を得ることができる。   Desirably, by setting a range that satisfies the following conditional expression (7a) and further a range that satisfies the conditional expression (7b), it is possible to obtain an even higher pixel shift super-resolution effect.

例えば、レンズアレイ102aのピッチΔLA=4.3559(mm)、撮像素子103の画素ピッチΔ=0.0043(mm)、σ=37.7657(mm)、σ=5.4325(mm)の場合を考える。このとき、ζ=η=0.0243(mm)とすれば、条件式(6)の値が1.04、条件式(7)の値が0.7となる。ここでM=5、m=3である。これにより、主被写体にピント合った高解像度の画像を生成することができる。また、ζまたはηは、レンズアレイ102aのピッチや配置に依存するため、撮像装置の製造時にキャリブレーションを行い、撮像装置ごとに補正されたζまたはηを予め記憶部109に記憶してもよい。これは、実施例1の場合でも同様である。 For example, the pitch Δ LA of the lens array 102 a = 4.3559 (mm), the pixel pitch Δ of the image sensor 103 = 0.0043 (mm), σ 1 = 37.7657 (mm), σ 2 = 5.4325 (mm) ) At this time, if ζ = η = 0.0243 (mm), the value of conditional expression (6) is 1.04 and the value of conditional expression (7) is 0.7. Here, M = 5 and m = 3. Thereby, a high-resolution image focused on the main subject can be generated. In addition, since ζ or η depends on the pitch and arrangement of the lens array 102a, calibration may be performed at the time of manufacturing the imaging device, and ζ or η corrected for each imaging device may be stored in the storage unit 109 in advance. . The same applies to the case of the first embodiment.

以上の構成により、本実施例によれば、主被写体を高解像度で取得可能な撮像装置および撮像装置の制御方法を提供することができる。   With the above configuration, according to the present embodiment, it is possible to provide an imaging apparatus and an imaging apparatus control method capable of acquiring a main subject with high resolution.

次に、本発明の実施例3について説明する。本実施例は、上述の画像処理方法を行う画像処理装置(画像処理システム)について説明する。図12は、本実施例における画像処理システムのブロック図である。なお本実施例において、基準被写体と主被写体は互いに異なっているものとする。   Next, Embodiment 3 of the present invention will be described. In this embodiment, an image processing apparatus (image processing system) that performs the above-described image processing method will be described. FIG. 12 is a block diagram of the image processing system in the present embodiment. In this embodiment, it is assumed that the reference subject and the main subject are different from each other.

図12に示されるように、画像処理システムは撮像装置301を備えている。撮像装置301は、例えば図3に示される撮像光学系を有する。また撮像装置301は、例えば図13に示される構成を有する。画像処理装置302は、画像再構成を行うコンピュータ機器(情報処理装置)である。画像処理装置302は、撮像装置301で取得された第1画像(入力画像)から再構成画像(出力画像)を生成する。再構成画像は、主被写体にピントが合った画像だけでなく、その他のリフォーカス画像や、被写界深度や視点が調節された画像でもよい。その結果は、記憶媒体303、表示機器304、および、出力機器305のいずれか一つまたは複数に出力される。記憶媒体303は、例えば、半導体メモリ、ハードディスク、または、ネットワーク上のサーバーである。表示機器304は、例えば、液晶ディスプレイやプロジェクタである。出力機器305は、例えばプリンタである。画像処理装置302には表示機器304が接続され、再構成された画像が表示機器304へ入力される。ユーザーは、表示機器304を介して再構成された画像を確認しながら作業を行うことができる。画像処理装置302には画像処理ソフトウエア306がインストールされている。画像処理ソフトウエア306(画像処理プログラム)は、前述の再構成処理(画像処理方法)を行うとともに、必要に応じて現像処理やその他の画像処理を行う。   As shown in FIG. 12, the image processing system includes an imaging device 301. The imaging device 301 has an imaging optical system shown in FIG. 3, for example. The imaging device 301 has a configuration shown in FIG. 13, for example. The image processing apparatus 302 is a computer device (information processing apparatus) that performs image reconstruction. The image processing device 302 generates a reconstructed image (output image) from the first image (input image) acquired by the imaging device 301. The reconstructed image is not limited to an image in which the main subject is focused, but may be another refocused image or an image in which the depth of field and the viewpoint are adjusted. The result is output to any one or more of the storage medium 303, the display device 304, and the output device 305. The storage medium 303 is, for example, a semiconductor memory, a hard disk, or a server on a network. The display device 304 is, for example, a liquid crystal display or a projector. The output device 305 is a printer, for example. A display device 304 is connected to the image processing apparatus 302, and a reconstructed image is input to the display device 304. The user can perform work while confirming the reconstructed image via the display device 304. Image processing software 306 is installed in the image processing apparatus 302. The image processing software 306 (image processing program) performs the above-described reconstruction processing (image processing method), and also performs development processing and other image processing as necessary.

続いて、図13を参照して、本実施例における撮像装置301の構成について説明する。図13は、撮像装置301のブロック図である。撮像装置301の基本的構成は実施例1の撮像装置と同様であるため、実施例1と異なる部分についてのみ説明し、その他の説明は省略する。   Next, the configuration of the imaging device 301 in the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 13 is a block diagram of the imaging device 301. Since the basic configuration of the imaging apparatus 301 is the same as that of the imaging apparatus of the first embodiment, only the parts different from the first embodiment will be described, and the other description will be omitted.

演算部405は、再構成処理などを行う画像処理部405a、および、被写体空間の距離情報を取得する距離情報取得部405bを備えて構成される。また演算部405は、第2ピント調整の際に用いられるピントずらし量ζを算出する。演算部405で算出されたピントずらし量ζは、光学系制御部407のピント調整部407aで用いられる。   The calculation unit 405 includes an image processing unit 405a that performs reconstruction processing and the like, and a distance information acquisition unit 405b that acquires distance information of the subject space. The computing unit 405 calculates a focus shift amount ζ used in the second focus adjustment. The focus shift amount ζ calculated by the calculation unit 405 is used by the focus adjustment unit 407a of the optical system control unit 407.

本実施例の撮像装置301を構成する撮像光学系は、図3に示されるように配置されている。図3に示される本実施例の撮像光学系は、レンズアレイ102aが像側ピント面202よりも像側へ配置されていることを除いて、図2に示される実施例2の構成と同様である。本実施例(図3)の構成は、レンズアレイ102aが結像光学系101の形成した像を実物体として見て、撮像素子103へ再結像させる点で、実施例2(図2)の構成と異なる。ただし、図2の構成と図3の構成は、いずれも結像光学系101の結んだ像をレンズアレイ102aが物体として見て、その像を撮像素子103へ結像しているため、本質的には同様である。したがって、本実施例のリフォーカス画像の生成方法は実施例2と同様である。   The imaging optical system constituting the imaging apparatus 301 of this embodiment is arranged as shown in FIG. The imaging optical system of the present embodiment shown in FIG. 3 has the same configuration as that of the second embodiment shown in FIG. 2 except that the lens array 102a is arranged on the image side with respect to the image side focusing surface 202. is there. The configuration of this embodiment (FIG. 3) is that the lens array 102a sees the image formed by the imaging optical system 101 as a real object and re-images it on the image sensor 103. Different from the configuration. However, the configuration of FIG. 2 and the configuration of FIG. 3 are both essential because the lens array 102a views the image formed by the imaging optical system 101 as an object and forms the image on the image sensor 103. Is the same. Therefore, the refocus image generation method of this embodiment is the same as that of the second embodiment.

次に、図14を参照して、本実施例の撮像装置301による撮影手順(撮像装置の制御方法)について説明する。図14は、本実施例における撮影手順を示すフローチャートである。図14のフローチャートの各ステップは、システムコントローラ111の指令に基づいてピント調整部407aなどにより実行される。   Next, with reference to FIG. 14, a photographing procedure (imaging device control method) by the imaging device 301 of the present embodiment will be described. FIG. 14 is a flowchart showing a photographing procedure in the present embodiment. Each step of the flowchart of FIG. 14 is executed by the focus adjustment unit 407a or the like based on a command from the system controller 111.

まずステップS101において、ユーザーは、ピントを合わせたい基準被写体を指定する。続いてステップS102において、ステップS101で指定された基準被写体に従い、ピント調整部407aは第1ピント調整を行う。すなわち、ピント調整部407aは、基準被写体に対する結像光学系101の結像位置が像側ピント面202に一致するように、結像光学系101のフォーカス群101aを駆動する。   First, in step S101, the user designates a reference subject to be focused. Subsequently, in step S102, the focus adjustment unit 407a performs the first focus adjustment according to the reference subject specified in step S101. In other words, the focus adjustment unit 407a drives the focus group 101a of the imaging optical system 101 so that the imaging position of the imaging optical system 101 with respect to the reference subject coincides with the image-side focusing surface 202.

次にステップS103において、ユーザーが高解像度でピントを合わせたい被写体である主被写体を指定する。このように本実施例において、基準被写体と主被写体は互いに異なる被写体であり、主被写体は基準被写体に対する第1ピント調整が行われた後に指定される。ただし本実施例はこれに限定されるものではなく、主被写体の指定(ステップS103)は基準被写体の指定(ステップS101)よりも前に行っても構わない。   In step S103, the user designates a main subject that is a subject to be focused with high resolution. As described above, in this embodiment, the reference subject and the main subject are different from each other, and the main subject is designated after the first focus adjustment is performed on the reference subject. However, the present embodiment is not limited to this, and the designation of the main subject (step S103) may be performed before the designation of the reference subject (step S101).

続いてステップS104において、演算部405の距離情報取得部405bは、被写体空間の距離情報を取得する。被写体空間の距離情報は、例えば以下のような方法を用いて取得することができる。すなわち、撮像素子103では、異なる視点から被写体空間を観察した視差情報が得られる。このため、一度撮影を行って再構成処理を行うことにより複数の視差画像を取得することができる。これらの視差画像の特徴点を比較することにより、被写体空間の距離情報を取得することが可能である。または、撮像光学系のフォーカス群101aを駆動しながら複数の撮影を行って距離情報を取得してもよい。また、撮像光学系とは別に距離情報を取得する手段を有していてもよい。ここで、撮像装置301から基準被写体および主被写体までの距離が互いに同じである場合には、以下の手順を実施例2のステップS003以降と同様にしてもよい。   Subsequently, in step S104, the distance information acquisition unit 405b of the calculation unit 405 acquires distance information of the subject space. The distance information of the subject space can be acquired using, for example, the following method. That is, the image sensor 103 can obtain parallax information obtained by observing the subject space from different viewpoints. For this reason, a plurality of parallax images can be acquired by performing imaging once and performing reconstruction processing. By comparing the feature points of these parallax images, it is possible to acquire distance information of the subject space. Alternatively, the distance information may be acquired by performing a plurality of shootings while driving the focus group 101a of the imaging optical system. In addition to the imaging optical system, it may have means for acquiring distance information. Here, when the distances from the imaging device 301 to the reference subject and the main subject are the same, the following procedure may be the same as that after step S003 in the second embodiment.

次にステップS105において、演算部405は、ピント調整部407aによる第2ピント調整の際に用いられるピントずらし量ζを算出する。このとき、演算部405は、距離情報取得部405bで取得された距離情報から、主被写体に対する結像光学系101の結像位置を算出する。仮想結像面203の位置に対する画素ずれの割合δの振舞いは、式(5)で表されるように撮像光学系の構成により決定される。したがって、予め高解像となる仮想結像面203の位置を記憶部109に記憶し、その位置と主被写体に対する結像光学系101の結像位置の差をとることで、ピントずらし量ζを算出することができる。記憶部109に予め記憶される高解像な仮想結像面203の位置は、単数でも複数でもよく、また撮像装置301の製造時にキャリブレーションを行って補正した値でもよい。   Next, in step S105, the calculation unit 405 calculates a focus shift amount ζ used when the second focus adjustment is performed by the focus adjustment unit 407a. At this time, the calculation unit 405 calculates the imaging position of the imaging optical system 101 with respect to the main subject from the distance information acquired by the distance information acquisition unit 405b. The behavior of the pixel shift ratio δ with respect to the position of the virtual imaging plane 203 is determined by the configuration of the imaging optical system as expressed by Expression (5). Therefore, the position of the virtual imaging plane 203 with high resolution is stored in the storage unit 109 in advance, and the focus shift amount ζ is set by taking the difference between the position and the imaging position of the imaging optical system 101 with respect to the main subject. Can be calculated. The position of the high-resolution virtual imaging plane 203 stored in advance in the storage unit 109 may be single or plural, and may be a value corrected by calibration at the time of manufacturing the imaging device 301.

続いてステップS106において、ピント調整部407aは、演算部405で算出されたピントずらし量ζだけ結像位置を変化させるように第2ピント調整を行う。リフォーカス範囲は、式(4)で表されるように有限である。このため、第2ピント調整後における、像側ピント面202から主被写体に対応する仮想結像面203までの距離ηが、NFΔy以内に収まっている必要がある。また、実施例1と同様に、主被写体にピントを合わせたリフォーカス画像における点像の広がりは、εに収まっていることが望ましい。このため、ηは結像光学系101の焦点深度内に収まっていることが望ましい。このときピント調整部407aは、像側ピント面202と仮想結像面との間の距離が結像光学系101の焦点深度の範囲内になるように第2ピント調整を行う。また、実施例2と同様に、条件式(6)、(6a)、(6b)、(7)、(7a)、(7b)を満たしていることが望ましい。   Subsequently, in step S106, the focus adjustment unit 407a performs the second focus adjustment so that the imaging position is changed by the focus shift amount ζ calculated by the calculation unit 405. The refocus range is finite as represented by Equation (4). For this reason, the distance η from the image-side focus surface 202 to the virtual imaging surface 203 corresponding to the main subject after the second focus adjustment needs to be within NFΔy. As in the first embodiment, the spread of the point image in the refocus image focused on the main subject is preferably within ε. Therefore, it is desirable that η be within the depth of focus of the imaging optical system 101. At this time, the focus adjustment unit 407a performs the second focus adjustment so that the distance between the image-side focus surface 202 and the virtual imaging surface is within the focal depth range of the imaging optical system 101. Similarly to the second embodiment, it is desirable that conditional expressions (6), (6a), (6b), (7), (7a), and (7b) are satisfied.

例えば、レンズアレイ102aのピッチΔLA=4.3559(mm)、撮像素子103の画素ピッチΔ=0.0043(mm)、σ=37.7657(mm)、σ=5.4325(mm)の場合を考える。基準被写体と主被写体が一致していないため、主被写体に対応した結像面の位置はσとは一般的に異なる。ここで、結像面の位置をτ=37.7100(mm)とする。このとき、ζ=0.0100(mm)とすれば、η=−0.0457(mm)となり、条件式(6)の値は1.01、条件式(7)の値は1.3となる。ここで、M=9、m=8である。これにより、高解像でかつ主被写体にピント合った画像を生成することができる。 For example, the pitch Δ LA of the lens array 102 a = 4.3559 (mm), the pixel pitch Δ of the image sensor 103 = 0.0043 (mm), σ 1 = 37.7657 (mm), σ 2 = 5.4325 (mm) ) Since the reference subject and the main subject do not match, the position of the image plane corresponding to the main subject is generally different from σ 1 . Here, the position of the imaging plane is τ = 37.7100 (mm). At this time, if ζ = 0.0100 (mm), then η = −0.0457 (mm), the value of conditional expression (6) is 1.01, and the value of conditional expression (7) is 1.3. Become. Here, M = 9 and m = 8. Thereby, it is possible to generate an image with high resolution and focused on the main subject.

最後に、ステップS107において、撮像装置301は撮影を行い、第1画像を取得する。   Finally, in step S107, the imaging device 301 performs shooting and acquires a first image.

以上の構成により、本実施例によれば、主被写体を高解像度で取得可能な撮像装置および撮像装置の制御方法を提供することができる。   With the above configuration, according to the present embodiment, it is possible to provide an imaging apparatus and an imaging apparatus control method capable of acquiring a main subject with high resolution.

以上、本発明の好ましい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に限定されたものではなく、その要旨の範囲内で様々な変形、及び変更が可能である。   As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary.

101 結像光学系
102 瞳分割部
103 撮像素子
105 画像処理部
107a ピント調整部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Imaging optical system 102 Pupil division part 103 Image pick-up element 105 Image processing part 107a Focus adjustment part

Claims (12)

第1画像の再構成を行うことによりピント位置の異なる複数の第2画像を生成可能な撮像装置であって、
結像光学系と、
複数の画素を備え、前記第1画像を取得する撮像素子と、
被写体面の同一位置からの光線を、該光線が通過する前記結像光学系の瞳領域に応じて、前記撮像素子の互いに異なる画素に入射させる瞳分割部と、
前記結像光学系の結像位置を調整するピント調整部と、
前記撮像素子で取得された前記第1画像に対して、該第1画像の撮影条件情報を用いた前記再構成を行うことにより、前記第2画像を生成する画像処理部と、を有し、
前記ピント調整部は、
基準被写体に対する前記結像光学系の結像位置を調整する第1ピント調整と、
前記再構成により合成される画素のずれ量に応じて、主被写体の解像度を高めるように該主被写体に対する前記結像光学系の結像位置を移動させる第2ピント調整と、を行うことを特徴とする撮像装置。
An imaging apparatus capable of generating a plurality of second images having different focus positions by reconstructing a first image,
An imaging optical system;
An image sensor comprising a plurality of pixels and acquiring the first image;
A pupil division unit that causes light rays from the same position on the subject surface to enter different pixels of the image sensor according to the pupil region of the imaging optical system through which the light rays pass;
A focus adjustment unit that adjusts the imaging position of the imaging optical system;
An image processing unit that generates the second image by performing the reconstruction using the imaging condition information of the first image with respect to the first image acquired by the imaging element;
The focus adjustment unit is
A first focus adjustment for adjusting an imaging position of the imaging optical system with respect to a reference subject;
And performing a second focus adjustment for moving the imaging position of the imaging optical system with respect to the main subject so as to increase the resolution of the main subject in accordance with the shift amount of the pixel synthesized by the reconstruction. An imaging device.
前記ピント調整部は、前記結像光学系の指定された仮想結像面にピント位置が合った前記第2画像を生成する際、前記再構成により形成される見かけの画素ピッチの最大値を前記撮像素子の画素ピッチで除した値が、前記再構成で重なり合う画素の数の逆数に近づくように、前記第2ピント調整を行うことを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。   The focus adjustment unit generates a maximum value of an apparent pixel pitch formed by the reconstruction when generating the second image in focus on a designated virtual imaging plane of the imaging optical system. The image pickup apparatus according to claim 1, wherein the second focus adjustment is performed so that a value divided by a pixel pitch of the image pickup element approaches an inverse number of pixels overlapping in the reconstruction. 前記ピント調整部は、前記結像光学系のF値をF、前記瞳分割部による前記結像光学系の瞳の1次元分割数をN、前記結像光学系を介して前記主被写体と共役な面でのサンプリングピッチをΔyとしたとき、像側ピント面と前記仮想結像面との間の距離がNFΔy以下になるように前記第2ピント調整を行うことを特徴とする請求項2に記載の撮像装置。   The focus adjustment unit is configured such that the F value of the imaging optical system is F, the number of one-dimensional divisions of the pupil of the imaging optical system by the pupil division unit is N, and is conjugate with the main subject via the imaging optical system. 3. The second focus adjustment according to claim 2, wherein the second focus adjustment is performed so that a distance between the image-side focus surface and the virtual imaging surface is equal to or less than NFΔy when a sampling pitch on a smooth surface is Δy. The imaging device described. 前記ピント調整部は、像側ピント面と前記仮想結像面との間の距離が前記結像光学系の焦点深度の範囲内になるように前記第2ピント調整を行うことを特徴とする請求項2または3に記載の撮像装置。   The focus adjustment unit performs the second focus adjustment so that a distance between an image-side focus surface and the virtual imaging plane is within a range of a focal depth of the imaging optical system. Item 4. The imaging device according to Item 2 or 3. 前記基準被写体と前記主被写体は同一の被写体であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の撮像装置。   The imaging apparatus according to claim 1, wherein the reference subject and the main subject are the same subject. 前記基準被写体と前記主被写体は互いに異なる被写体であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の撮像装置。   The imaging apparatus according to claim 1, wherein the reference subject and the main subject are different subjects. 前記瞳分割部は、レンズアレイであることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の撮像装置。   The imaging apparatus according to claim 1, wherein the pupil division unit is a lens array. 前記レンズアレイは、前記結像光学系の瞳と前記撮像素子とが共役関係になるように配置されていることを特徴とする請求項7に記載の撮像装置。   The imaging apparatus according to claim 7, wherein the lens array is arranged so that a pupil of the imaging optical system and the imaging element are in a conjugate relationship. 前記レンズアレイは、前記結像光学系により形成された像と前記撮像素子とが共役関係になるように配置されていることを特徴とする請求項7に記載の撮像装置。   The imaging apparatus according to claim 7, wherein the lens array is disposed so that an image formed by the imaging optical system and the imaging element are in a conjugate relationship. 前記レンズアレイは、複数の小レンズを備えて構成され、
前記小レンズの像側の面は、凸形状であることを特徴とする請求項7乃至9のいずれか1項に記載の撮像装置。
The lens array includes a plurality of small lenses,
The image pickup apparatus according to claim 7, wherein an image side surface of the small lens has a convex shape.
前記レンズアレイは、複数の小レンズを備えて構成され、
前記小レンズの物体側の面は、平面又は凸形状であることを特徴とする請求項10に記載の撮像装置。
The lens array includes a plurality of small lenses,
The imaging apparatus according to claim 10, wherein the object side surface of the small lens is a flat surface or a convex shape.
第1画像の再構成を行うことによりピント位置の異なる複数の第2画像を生成可能な撮像装置の制御方法であって、
前記撮像装置に含まれる結像光学系の基準被写体に対する結像位置を調整する第1ピント調整を行うステップと、
前記再構成により合成される画素のずれ量に応じて、主被写体の解像度を高めるように該主被写体に対する前記結像光学系の結像位置を移動させる第2ピント調整を行うステップと、
前記撮像装置の撮影により前記第1画像を取得するステップと、を有することを特徴とする撮像装置の制御方法。
A control method for an imaging apparatus capable of generating a plurality of second images having different focus positions by reconstructing a first image,
Performing a first focus adjustment for adjusting an imaging position with respect to a reference object of an imaging optical system included in the imaging apparatus;
Performing a second focus adjustment for moving the imaging position of the imaging optical system with respect to the main subject so as to increase the resolution of the main subject in accordance with the shift amount of the pixel synthesized by the reconstruction;
And a step of acquiring the first image by photographing with the imaging device.
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