JP2014093646A - 光学機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】ライトフィールドフォトグラフィにおいて、画像の解像度の向上と光線の入射方向の情報量の増加の少なくとも一つを実現すること
【解決手段】ライトフィールドフォトグラフィに使用される光学機器であって、被写体101と共役な位置に配置されて被写体からの光を広げるマイクロレンズアレイ103と、前記マイクロレンズアレイを通過した光を光電変換する撮像素子104と、前記マイクロレンズアレイを光軸に垂直な方向に移動するマイクロレンズアレイ移動部109と、マイクロレンズアレイ移動部によって前記マイクロレンズアレイが少なくとも2つの異なる位置のそれぞれにあるときに前記撮像素子に撮像させて光線のデータを生成させるマイクロコンピュータ107と、を有する。
【選択図】図1
【解決手段】ライトフィールドフォトグラフィに使用される光学機器であって、被写体101と共役な位置に配置されて被写体からの光を広げるマイクロレンズアレイ103と、前記マイクロレンズアレイを通過した光を光電変換する撮像素子104と、前記マイクロレンズアレイを光軸に垂直な方向に移動するマイクロレンズアレイ移動部109と、マイクロレンズアレイ移動部によって前記マイクロレンズアレイが少なくとも2つの異なる位置のそれぞれにあるときに前記撮像素子に撮像させて光線のデータを生成させるマイクロコンピュータ107と、を有する。
【選択図】図1
Description
本発明は、光学機器に関する。
特許文献1は、ライトフィールドフォトグラフィ(Light Field Photography)と呼ばれるマイクロレンズアレイを用いたライトフィールドカメラにおいて、画像処理により焦点位置を可変とした画像を得る方法を開示している。ライトフィールドカメラは、光線の入射方向の情報(光線情報)を取得して後加工で画像を再構成するものであり、この画像は焦点位置や被写界深度を変更できるなどの特徴を有する。
しかしながら、画像の解像度と光線情報量はトレードオフの関係にある。画像の解像度を高めるために1つのマイクロレンズからの光を受光する撮像素子の画素数を少なくすると(例えば、マイクロレンズと画素数を一対一にするなど)、光線情報が少なくなって焦点位置などを調節できる範囲が狭くなる。逆に、1つのマイクロレンズに対応する画素数を多くすると画像の解像度は低くなる。
本発明の例示的な目的は、ライトフィールドフォトグラフィにおいて、画像の解像度の向上と光線の入射方向の情報量の増加の少なくとも一つを実現することが可能な光学機器を提供することである。
本発明の光学機器は、撮像された光線のデータを、前記光線の入射方向の情報に基づいて選択的に組み合わせることによって、画像の少なくとも一部を再構成する画像処理方法に使用される光学機器であって、物体と共役な位置に配置され、前記物体からの光を広げるマイクロレンズアレイと、前記マイクロレンズアレイを通過した光を光電変換する撮像素子と、前記マイクロレンズアレイと前記撮像素子の少なくとも一つを前記撮像素子の撮像面に垂直な方向に移動する移動手段と、前記移動手段を利用して前記マイクロレンズアレイと前記撮像素子の少なくとも一つが少なくとも2つの異なる位置のそれぞれにあるときに前記撮像素子に撮像させて前記光線のデータを生成させる制御手段と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、ライトフィールドフォトグラフィにおいて、画像の解像度の向上と光線の入射方向の情報量の増加の少なくとも一つを実現することが可能な光学機器を提供することができる。
図1は本実施形態の光学機器の一例のブロック図である。光学機器は、撮像された光線のデータを、光線の入射方向の情報に基づいて選択的に組み合わせることによって画像の少なくとも一部を再構成する画像処理方法に使用される光学機器である。
本実施形態の光学機器は、レンズ一体型のカメラ(デジタルカメラやデジタルビデオカメラ)、レンズ装置が装着可能なカメラ本体(一眼レフカメラやミラーレスカメラ)、撮影レンズ収納してカメラ本体に装着可能なレンズ装置であってもよい。さらには、光学機器はレンズ装置とカメラ本体から構成されるカメラシステムであってもよい。
本実施形態の画像処理方法は、光学機器内で行われてもよいし、パーソナルコンピュータ(PC)やインターネットを利用したクラウドコンピューティングによってなされてもよい。
図1において、101は被写体(物体)、102は撮影レンズ(撮影光学系)である。103はマイクロレンズアレイ、104は撮像素子である。
被写体101と撮影レンズ102の距離はdであり、撮影レンズ102の主点とマイクロレンズアレイ103の主点との距離はsである。被写体101とマイクロレンズアレイ103とは撮影レンズ102によって共役の関係にある。即ち、マイクロレンズアレイ103の主点は焦平面に配置されている。撮影レンズ102は、被写体(物体)101の光学像を形成する。撮影レンズ102は焦点距離を変える不図示のズームレンズ群や、被写体距離を変える不図のフォーカスレンズ群、手振れを補正する補正レンズなどを有する。マイクロレンズアレイ103は被写体101からの光を広げる。
撮像素子104は複数の光センサ(画素)を有する光センサアレイとして機能し、マイクロレンズアレイ103を通過した光を光電変換する光電変換素子である。本実施形態では、1つのマイクロレンズからの光を複数の画素が受光する。撮像素子104は、焦平面上の互いに異なる位置に互いに異なる入射角で入射する被写体101の光学像を光電変換する。本実施形態の撮像素子104の撮像面は撮影レンズ102の光軸に垂直であるが、像面ではなくデフォーカス位置に配置されている。
撮像処理部112は撮像素子104の出力信号を画像処理部111で処理できるように輝度調整等の処理を行い、A/Dコンバータ、D/Aコンバータ、デジタル演算回路からなる。撮像素子104と撮像処理部112から撮像手段を構成する。撮像処理部112の出力画像を撮像画像と呼ぶ。
画像処理部(画像処理手段)111は特許文献1に記載されている画像再構築の処理を行い、デジタル演算回路からなる。例えば、画像処理部111は、異なる画素で検出された光線が焦平面上の特定の位置に入射する入射方向の情報を、の特定の位置に対する画素の位置に基づいて検出する。そして、取得した光線のデータを、光線の入射方向の情報と後述する2つの異なる位置の情報に基づいて選択的に組み合わせることによって、画像の少なくとも一部を再構成する。取得した光線のデータを焦平面とは異なる仮想平面で再構成し、焦点距離や深度を変更してもよい。
なお、特許文献1に記載されている画像再構築の処理におけるフーリエ変換の結果を画像処理部111から得て空間周波数を検出することもできる。画像処理部111の処理の一部をマイクロコンピュータ(プロセッサ)107が行ってもよい。
マイクロコンピュータ(マイコン)107は、画像処理部111の出力からレンズ移動制御部106を介して取得し、これに基づいて撮影レンズ102を制御する制御手段として機能する。また、マイコン107は、マイクロレンズアレイ移動部109を利用してマイクロレンズアレイ103が少なくとも2つの異なる位置のそれぞれにあるときに撮像素子104に撮像させて光線のデータを生成させる制御手段としても機能する。また、マイクロレンズアレイ移動部109、後述するように、マイクロレンズアレイ103、撮像素子104、撮影レンズ102の少なくとも一つを移動すればよい。そして、制御手段は、その少なくとも一つが少なくとも2つの異なる位置のそれぞれにあるときに撮像素子104に撮像させて光線のデータを生成させる制御手段として機能してもよい。
画像記録部105は、画像処理部111で処理した結果である画像情報を記録し、半導体記憶回路などから構成される。表示部110は、マイコン107の動作状況や画像情報を表示し、例えば、液晶表示装置などから構成される。
マイコン107が、マイクロレンズアレイ移動制御部108に移動命令を発することで、マイクロレンズアレイ移動制御部108はマイクロレンズアレイ移動部(移動手段)109を介してマイクロレンズアレイ103を光軸に直交する方向に移動することができる。
図2は、マイクロレンズアレイ103とマイクロレンズアレイ移動部109の概略平面図である。マイクロレンズアレイ移動部109は、撮影レンズ102の光軸と垂直な、互いに直交する2方向にマイクロレンズアレイ103を移動(駆動)する。本実施形態のマイクロレンズアレイ移動部109は、モータ201、205、リードスクリュー202、206、伝達部203、207、ステージ204、208を有する。
モータ201、203は、ステッピングモータなどから構成される。リードスクリュー202は、モータ201の不図示のモータ軸に結合されている。リードスクリュー206は、モータ205の不図示のモータ軸に接続されている。伝達部203は、リードスクリュー202に係合する内面を有すると共にステージ204に結合され、リードスクリュー202が回転すると矢印E1方向の力をステージ204に加える。伝達部207は、リードスクリュー206に係合する内面を有すると共にステージ208に結合され、リードスクリュー206が回転すると矢印E2方向の力をステージ208に加える。ステージ204は、モータ205、リードスクリュー206、伝達部207、ステージ208を搭載する。ステージ208は、マイクロレンズアレイ103を搭載する。
モータ201が回転すると、マイクロレンズアレイ103はステージ204と共に矢印E1方向に移動する。モータ205が回転すると、マイクロレンズアレイ103はステージ208と共に矢印E2方向に移動する。この結果、光軸に垂直する2つの直交方向にマイクロレンズアレイ103を移動することができる。なお、光軸に垂直な2つの直交方向は周方向と径方向など本実施形態に限定されない。
図3は、撮像レンズ102と撮像素子104の光学的関係を示す図であり、撮像レンズ102の主面上の点(u,v)と撮像素子104の撮像面上の点(x、y)を通る光線LF(x、y、u、v)を示している。Fは撮像レンズ102と撮像素子104の光学的距離である。光線LF(x、y、u、v)の情報は光線の入射方向の情報を含んでおり、4次元(4D)光線照射野もしくは単に光線情報と呼ばれる。
図4は、撮像レンズ102の主点と撮像素子104の撮像面と再構成した焦平面を示す図である。α=F’/Fとすると、次の条件式が成立する。
LF’(x、y、u、v)
=LF(u(1−1/α)+x/α、v(1−1/α)+y/α、u、v) (1)
αを設定し、本式を解くことにより、画像を再構成することができる。また、フーリエ変換により画像を再構成することができるが、特許文献1の数式1から3に示されているので省略する。
LF’(x、y、u、v)
=LF(u(1−1/α)+x/α、v(1−1/α)+y/α、u、v) (1)
αを設定し、本式を解くことにより、画像を再構成することができる。また、フーリエ変換により画像を再構成することができるが、特許文献1の数式1から3に示されているので省略する。
マイクロレンズアレイ103の個数が画像の解像度を決定し、マイクロレンズに対応する撮像素子の素子数が光線情報の解像力を決定する。Δdを、再構成画像で焦点位置を変更可能な幅とすると、次の条件式が成立する。
Δd=N×A/f (2)
ここで、fは撮影レンズ102の焦点距離、Aは撮影レンズ102の絞り値、マイクロレンズアレイ103の各レンズに対応する撮像素子104上の画素数はN×Nである。
Δd=N×A/f (2)
ここで、fは撮影レンズ102の焦点距離、Aは撮影レンズ102の絞り値、マイクロレンズアレイ103の各レンズに対応する撮像素子104上の画素数はN×Nである。
N=10とすると、Δdは、マイクロレンズアレイ102を使用しない方式に対して10倍となるが、記録する画像情報の画素数は100分の1となる。つまり、Δdを大きくするためにはNを大きくしなければならず、取り出せる画像情報の画素数は撮像素子上の全画素をNの二乗で割ったものに等しくなる。光線情報の分解能を細かくすると取り出せる画像情報は小さくなる。そこで、マイクロレンズアレイを光軸に垂直に動かすことによって画素数を高めるようにしている。
図5は、画像の解像度アップのためのマイクロレンズアレイ103の位置と撮像素子104の多重撮影の関係図である。マイクロレンズ1つに対する撮像素子の画素N×NはN=15となっている。
1回目の撮影では、実線位置で撮影し、2回目の撮影では、横方向に右に7.5画素分、縦方向に上に7.5画素分マイクロレンズアレイ103を移動した位置で撮影をする。この2つの画像を合成することにより、画素数を増やすことができる。
例えば、縦横のマイクロレンズの数をそれぞれU、Vとすると、通常一回の撮影ではU×Vのマイクロレンズ数に対応する解像度の映像が、N×N個の焦点距離、視差の異なる映像つまり光線情報データが手に入る。マイクロレンズアレイ103の位置を移動して撮影することで周辺の2倍にならない領域を考慮すると4U×V―2(U+V)となり、U、Vが十分大きい場合で4倍に近い解像度の映像を取ることができる。
本実施形態では、マイクロレンズ移動部109は、マイクロレンズアレイ103を移動するが、撮像素子104は移動しない。この場合、マイクロレンズ移動部109は、移動前のマイクロレンズアレイ103の各マイクロレンズの中心が移動前のいずれかのマイクロレンズの中心と重ならないように移動することが好ましい。例えば、図5においては、左下隅のマイクロレンズの中心が右上隅のマイクロレンズの中心と重ならず、ずれた位置に配置されることが好ましい。
図6は、マイコン107によって実行される本実施形態の撮像方法を説明するフローチャートであり、「S」はステップ(工程)の略である。図7に示す撮像方法は、コンピュータに各ステップの機能を実行させるためのプログラムとして具現化が可能である。
まず、不図示のシャッターSWが押されたら(S901のY)、マイコン107はマイクロレンズアレイ位置(X,Y)を原点(0,0)に設定して撮影を行い(S902)、シャッターSWが押されるまで待機する(S901のNのループ)。S902の後で、マイコン107はマイクロレンズアレイ103を(X1,Y1)に移動させ(S903)、再び撮影する(S904)。撮影後にマイクロレンズアレイ103を元の原点位置に戻し(S905)、撮影された画像を合わせて1つの画像データを作成する(S906)。この結果、2つの位置ずれに対応した位置を補完し、画素ずらしの概念より画素を補完することで解像力を高めることができる。なお、S906において、マイクロレンズアレイ103の特定の位置に入射する光線の入射方向の情報は、マイクロレンズアレイ103の2つの異なる位置と特定の位置に対する撮像素子104の画素の位置に基づいて検出される。そして、取得された光線のデータを光線の入射方向の情報に基づいて選択的に組み合わせることにより、画像の少なくとも一部が再構成される。
また、S903、S904の処理を複数行い、2点だけではなくさらに違う位置にマイクロレンズアレイ103を移動させて撮影し、S906で1つの画像にまとめることでさらに高解像度の画像データにすることができる。
また、マイクロレンズアレイ103のみを光軸に垂直な方向に移動する代わりに、マイクロレンズアレイ103と撮像素子104を一体に移動してもよい。あるいは、マイクロレンズアレイ103の代わりに、撮影レンズ102または撮像素子104(図7)を光軸に垂直な方向に移動してもよい。撮影レンズ102の移動は全体でもよいし、一部(例えば、補正レンズまたは補正レンズ以外の光軸に垂直な方向に移動するレンズ)でもよい。ここで、図7は、光線情報の分解能を向上するための多重撮影の図である。
このため、本実施形態の光学機器は、マイクロレンズアレイ103のみ、マイクロレンズアレイ103と撮像素子104、または、撮像素子104のみを移動するレンズ一体型のカメラ、レンズ装置が装着可能なカメラ本体でもよい。もしくは、撮影レンズ102を光軸に垂直に移動するレンズ装置であってもよい。
マイクロレンズと撮像素子の相対位置を変えると光線情報の分解能が上がり、マイクロレンズと撮像素子の相対位置を変えずに光線をシフトさせることで画素の分解能が上げることができる。
従来、ある光線情報だけ取り出して1枚の映像を取り出す場合、図8(a)に示すように、各マイクロレンズの対応する位置の1つの画像データを取り出し、図8(b)に示す1枚の画像データを作成することができる。
図9(a)は、図6と同様に、マイクロレンズアレイ103を斜め右に移動して2回撮影する場合を示しており、実線は1回目の露光、点線が2回目の露光に対応する。1回目の露光による画像データと2回目の露光による画像データを移動量と対応させて各マイクロレンズの対応する位置の1つの画像データを取り出すと、図9(b)に示すような格子状の隙間の空いた画像データを作り出すことができる。空いた画像(例えば、図9(b)の中央の白部)を上下左右の隣接する画像データの平均を取ることによって補間する。これを図9(c)に示す。また、図9(c)では、隣接画像データの上下や左右がない場合(例えば、図9(b)の左上隅の白部)は、2点の隣接画像データの平均値を求めることによって画像データを作りだすことができる。図8(b)と図9(c)を比較すると20対80のため4倍分解能を上げることができる。
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
光学機器は、レンズ装置、レンズ装置が装着可能なカメラ本体、レンズ一体型の撮像装置、レンズ装置とカメラ本体から構成される撮像システムに適用することができる。
103…マイクロレンズアレイ、104…撮像素子、107…マイクロコンピュータ(制御手段)、109…マイクロレンズアレイ移動部(移動手段)
Claims (10)
- 撮像された光線のデータを、前記光線の入射方向の情報に基づいて選択的に組み合わせることによって、画像の少なくとも一部を再構成する画像処理方法に使用される光学機器であって、
物体と共役な位置に配置され、前記物体からの光を広げるマイクロレンズアレイと、
前記マイクロレンズアレイを通過した光を光電変換する撮像素子と、
前記マイクロレンズアレイと前記撮像素子の少なくとも一つを前記撮像素子の撮像面に垂直な方向に移動する移動手段と、
前記移動手段を利用して前記マイクロレンズアレイと前記撮像素子の少なくとも一つが少なくとも2つの異なる位置のそれぞれにあるときに前記撮像素子に撮像させて前記光線のデータを生成させる制御手段と、
を有することを特徴とする光学機器。 - 前記移動手段は、前記マイクロレンズアレイを移動するが、前記撮像素子は移動せず、
前記移動手段は、移動前の前記マイクロレンズアレイの各マイクロレンズの中心が移動前のいずれかのマイクロレンズの中心と重ならないように移動することを特徴とする請求項1に記載の光学機器。 - 前記画像処理方法を実行する画像処理手段を更に有することを特徴とする請求項1または2に記載の光学機器。
- 物体の光学像を形成する撮影光学系を更に有することを特徴とする請求項1に記載の光学機器。
- 前記光学機器は、物体の光学像を形成する撮影光学系を収納するレンズ装置が装着可能なカメラ本体であることを特徴とする請求項1に記載の光学機器。
- 前記撮影光学系の光軸と垂直な方向に前記撮影光学系の少なくとも一部を移動する移動手段を更に有し、
前記制御手段は、前記撮影光学系が少なくとも2つの異なる位置のそれぞれにあるときに前記撮像素子に撮像させることによって前記光線のデータを生成させることを特徴とする請求項4または5に記載の光学機器。 - 前記制御手段は、再構成された画像の画素を補完することを特徴とする請求項1乃至6のうちいずれか1項に記載の光学機器。
- 1つのマイクロレンズからの光を前記撮像素子の複数の画素が受光することを特徴とする請求項4または5に記載の光学機器。
- 撮像された光線のデータを、前記光線の入射方向の情報に基づいて選択的に組み合わせることによって、画像の少なくとも一部を再構成する画像処理方法に使用される光学機器であって、
物体の光学像を形成する撮影光学系と、
前記撮影光学系の光軸と垂直な方向に前記撮影光学系の少なくとも一部を移動する移動手段と、
前記光線のデータは、前記撮影光学系が少なくとも2つの異なる位置のそれぞれにあるときに撮像することによって得られることを特徴とする光学機器。 - 物体と共役な位置に配置されて前記物体からの光を広げるマイクロレンズアレイ、前記マイクロレンズアレイを通過した光を光電変換する撮像素子、前記物体の光学像を形成する撮影光学系の少なくとも一つが、前記撮影光学系の光軸に垂直な方向における2つの異なる位置のそれぞれにあるときに前記撮像素子に撮像させることによって生成された光線のデータを取得するステップと、
取得された2つの光線のデータを各光線の入射方向の情報に基づいて選択的に組み合わせることにより、画像の少なくとも一部を再構成するステップと、
を有することを特徴とする画像処理方法。
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