JP2015033032A - Optical equipment and pixel deviated image acquisition method - Google Patents

Optical equipment and pixel deviated image acquisition method Download PDF

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知 小松
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秀敏 椿
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光太郎 市山
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To acquire a plurality of pixel deviated images each having a high-accuracy pixel deviation amount while using one imaging device.SOLUTION: Optical equipment 1 used for acquiring a plurality of pixel deviated images to be used for producing a superresolution image while using an imaging device 103 comprises: an imaging optical system 100; opening position variable means 101 capable of changing the position of an opening through which a light flux is passed within a plane that is orthogonal to an optical axis direction; positional relation variable means 100a and 105 capable of changing a positional relation in the optical axis direction between an image forming plane on which the light flux from a subject passed through the imaging optical system and the opening forms an image and the imaging device; and control means 109, 106 and 107 for setting the positional relation in such a manner that the image forming plane and the imaging device have a positional difference in the optical axis direction in accordance with a pixel deviation amount between pixel deviated images, and changing the position of the opening in every imaging for acquiring the pixel deviated images, respectively.

Description

本発明は、複数の画素ずらし画像を合成して超解像画像を得るために用いられる光学機器に関する。   The present invention relates to an optical apparatus used for synthesizing a plurality of pixel-shifted images to obtain a super-resolution image.

超解像画像の合成に用いられる複数の画素ずらし画像を取得する方法には、複数の撮像素子を互いにずらして配置する方法や、特許文献1にて開示された方法がある。特許文献1には、被写体からの光束が通過する開口の位置を可変としたり複数の開口を設けたりすることで、互いに異なる位置の開口を通過した複数の光束によりそれぞれ形成された複数の被写体像を複数の撮像素子で撮像する方法が開示されている。   As a method for acquiring a plurality of pixel-shifted images used for super-resolution image synthesis, there are a method in which a plurality of image pickup elements are shifted from each other, and a method disclosed in Patent Document 1. In Patent Document 1, a plurality of subject images respectively formed by a plurality of light beams that have passed through openings at different positions by changing the position of the aperture through which the light beam from the subject passes or by providing a plurality of openings. A method for imaging a plurality of image sensors with a plurality of image sensors is disclosed.

ただし、特許文献1にて開示された方法のように複数の撮像素子を用いると、光学機器の小型化や低コスト化を図ることが難しい。このため、撮像素子の数を減らして画素ずらし画像を取得する方法が特許文献2,3にて開示されている。特許文献2には、光学系と撮像素子との間に反射鏡を配置し、該反射鏡を微小変位させることで1つの撮像素子上に形成される被写体像の画素ずらしを行って複数の画素ずらし画像を取得する方法が提案されている。また、特許文献3には、偏心したレンズを回転させることで、1つの撮像素子上に形成される被写体像の画素ずらしを行って複数の画素ずらし画像を取得する方法が提案されている。   However, when a plurality of image sensors are used as in the method disclosed in Patent Document 1, it is difficult to reduce the size and cost of the optical device. For this reason, Patent Documents 2 and 3 disclose a method of acquiring a pixel-shifted image by reducing the number of imaging elements. In Patent Document 2, a reflecting mirror is disposed between an optical system and an image sensor, and a plurality of pixels are obtained by shifting the subject image formed on one image sensor by minutely displacing the reflector. A method for acquiring a shifted image has been proposed. Further, Patent Document 3 proposes a method of acquiring a plurality of pixel-shifted images by rotating a decentered lens to shift a pixel of a subject image formed on one image sensor.

特開平07-222038号公報JP 07-222038 A 特開2002-077696号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2002-077696 特開2004-187047号公報JP 2004-187047 A

しかしながら、特許文献2にて開示された微小変位が可能な反射鏡を用いる方法では、反射鏡を変位させる機構のがたによって所望の画素ずらし量を精度良く得ることが難しい。また、このような反射鏡を撮影光学系から撮像素子までが一体に構成されたコンパクトデジタルカメラに搭載することは難しい。   However, in the method using the reflecting mirror capable of minute displacement disclosed in Patent Document 2, it is difficult to obtain a desired pixel shift amount with high accuracy by the back of the mechanism for displacing the reflecting mirror. In addition, it is difficult to mount such a reflector in a compact digital camera in which the imaging optical system to the image sensor are integrated.

また、特許文献3にて開示された方法では、偏心レンズを回転させるための径方向のスペースが光学機器内に必要となるため、光学機器が大型化し易いという問題がある。   In addition, the method disclosed in Patent Document 3 requires a radial space for rotating the decentered lens in the optical device, and thus there is a problem that the optical device is easily increased in size.

本発明は、1つの撮像素子を用いて高精度の画素ずらし量を有する複数の画素ずらし画像の取得を可能としつつ、光学機器の大型化を回避できるようにした光学機器および画素ずらし画像取得方法を提供する。   The present invention provides an optical device and a pixel-shifted image acquisition method capable of obtaining a plurality of pixel-shifted images having a high-accuracy pixel shift amount using a single image sensor while avoiding an increase in size of the optical device. I will provide a.

本発明の一側面としての光学機器は、撮像素子を用いて超解像画像の生成に用いられる複数の画素ずらし画像を取得する際に使用される。該光学機器は、撮像光学系と、光束が通過する開口の位置を光軸方向に直交する面内で変更可能な開口位置可変手段と、撮像光学系および上記開口を通過した被写体からの光束が結像する結像面と撮像素子との光軸方向での位置関係を変更可能な位置関係可変手段と、結像面と前記撮像素子とが画素ずらし画像間での画素ずらし量に応じた光軸方向での位置差を有するように上記位置関係を設定するとともに、画素ずらし画像のそれぞれを取得するための撮像ごとに上記開口の位置を変更する制御手段とを有することを特徴とする。   An optical apparatus according to one aspect of the present invention is used when acquiring a plurality of pixel-shifted images used for generating a super-resolution image using an imaging element. The optical apparatus includes an imaging optical system, aperture position changing means capable of changing the position of the aperture through which the light beam passes in a plane orthogonal to the optical axis direction, and the light flux from the imaging optical system and the subject passing through the aperture. The positional relationship variable means that can change the positional relationship between the imaging surface and the image sensor in the optical axis direction, and the image plane and the image sensor are pixel-shifted and light according to the pixel shift amount between the images The positional relationship is set so as to have a positional difference in the axial direction, and control means for changing the position of the opening for each imaging for acquiring each pixel-shifted image is provided.

また、本発明の他の一側面としての画素ずらし画像取得方法は、撮像素子を用いて超解像画像の生成に用いられる複数の画素ずらし画像を取得するために使用される。該画素ずらし画像取得方法は、光束が通過する開口の位置を光軸方向に直交する面内で変更可能とし、撮像光学系および上記開口を通過した被写体からの光束が結像する結像面と撮像素子との光軸方向での位置関係を変更可能とし、該結像面と撮像素子とが画素ずらし画像間での画素ずらし量に応じた光軸方向での位置差を有するように上記位置関係を設定するとともに、画素ずらし画像のそれぞれを取得するための撮像ごとに上記開口の位置を変更することを特徴とする。   A pixel shifted image acquisition method according to another aspect of the present invention is used for acquiring a plurality of pixel shifted images used for generating a super-resolution image using an imaging element. The pixel-shifted image acquisition method can change the position of an aperture through which a light beam passes within a plane orthogonal to the optical axis direction, and an imaging optical system and an imaging surface on which a light beam from a subject that has passed through the aperture forms an image. The positional relationship in the optical axis direction with the image sensor can be changed, and the imaging plane and the image sensor are shifted in pixels so that the position in the optical axis direction according to the pixel shift amount between the images is changed. The relationship is set, and the position of the opening is changed for each imaging for obtaining each pixel-shifted image.

本発明では、結像面と撮像素子との位置差を画素ずらし量に応じて設定するとともに光束が通過する開口の位置を変更しながら複数の画素ずらし画像を取得するための撮像を行う。このため、本発明によれば、1つの撮像素子を用いて高精度の画素ずらし量を有する複数の画素ずらし画像の取得を可能としつつ、光学機器の大型化を回避することができる。   In the present invention, the position difference between the imaging surface and the image sensor is set according to the pixel shift amount, and imaging for acquiring a plurality of pixel shifted images is performed while changing the position of the aperture through which the light beam passes. For this reason, according to the present invention, it is possible to obtain a plurality of pixel-shifted images having a high-precision pixel shift amount using one image sensor, and to avoid an increase in the size of the optical device.

本発明の実施例1である撮像装置の構成を示すブロック図。1 is a block diagram illustrating a configuration of an imaging apparatus that is Embodiment 1 of the present invention. 実施例1の撮像装置の動作を示すフローチャート。6 is a flowchart illustrating the operation of the imaging apparatus according to the first embodiment. 実施例1の撮像装置における開口の形状を示す図。FIG. 3 is a diagram illustrating the shape of an opening in the imaging apparatus according to the first embodiment. 実施例1の撮像装置におけるデフォーカス制御を示すフローチャート。3 is a flowchart illustrating defocus control in the imaging apparatus according to the first exemplary embodiment. 実施例1の撮像装置により得られる画素ずらし量とその他のパラメータとの関係を示す図。FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between a pixel shift amount obtained by the imaging apparatus according to the first embodiment and other parameters. 実施例1の撮像装置における超解像処理を示すフローチャート。3 is a flowchart illustrating super-resolution processing in the imaging apparatus according to the first embodiment. 本発明の実施例2である撮像装置の構成を示すブロック図。FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of an imaging apparatus that is Embodiment 2 of the present invention. 実施例2の撮像装置における開口の形状を示す図。FIG. 6 is a diagram illustrating the shape of an opening in an imaging apparatus according to Embodiment 2. 実施例2の撮像装置におけるデフォーカス制御を示すフローチャート。9 is a flowchart illustrating defocus control in the imaging apparatus according to the second embodiment. 実施例2の撮像装置により得られる画素ずらし量とその他のパラメータとの関係を示す図。FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between a pixel shift amount obtained by the imaging apparatus of Embodiment 2 and other parameters.

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1には、本発明の実施例1であるビデオカメラやデジタルスチルカメラ等の撮像装置(光学機器)の構成を示す。100は撮像光学系であり、撮像素子103上に被写体を形成する。撮像光学系100は、その光軸方向に移動可能なフォーカスレンズ(フォーカス素子)100aを含む。105はフォーカスレンズ100aの移動を制御するフォーカス制御部である。フォーカスレンズ100aの移動により、撮像光学系100(および後述する可変開口絞り101の開口)を通過した光束が結像する結像面の撮像素子103に対する光軸方向での位置、つまりは結像面と撮像素子103との同方向での位置関係が変更可能である。フォーカスレンズ100aおよびフォーカス制御部105により、位置関係可変手段が構成される。   FIG. 1 shows a configuration of an imaging apparatus (optical apparatus) such as a video camera or a digital still camera that is Embodiment 1 of the present invention. Reference numeral 100 denotes an imaging optical system, which forms a subject on the imaging element 103. The imaging optical system 100 includes a focus lens (focus element) 100a that can move in the optical axis direction. A focus control unit 105 controls the movement of the focus lens 100a. The position in the optical axis direction with respect to the imaging element 103 of the imaging surface on which the light beam that has passed through the imaging optical system 100 (and the aperture of the variable aperture stop 101 described later) is imaged by the movement of the focus lens 100a, that is, the imaging surface And the image sensor 103 in the same direction can be changed. The focus lens 100a and the focus control unit 105 constitute a positional relationship variable unit.

開口位置可変手段としての可変開口絞り101は、撮像光学系100と撮像素子103との間であって撮像光学系100の瞳面の位置に配置されている。可変開口絞り101は、液晶素子等で構成されており、瞳面における任意の位置に任意の形状を有する開口を形成することができる。被写体からの光束は、撮像光学系100を通過した後、この可変開口絞り101の開口を通過して撮像素子103に向かう。102は可変開口絞り101と撮像素子103との間に配置されたシャッタであり、開閉動作することで撮像素子103の露光を制御する。   A variable aperture stop 101 as an aperture position varying unit is disposed between the imaging optical system 100 and the imaging element 103 and at a position on the pupil plane of the imaging optical system 100. The variable aperture stop 101 is composed of a liquid crystal element or the like, and can form an aperture having an arbitrary shape at an arbitrary position on the pupil plane. The light flux from the subject passes through the imaging optical system 100 and then passes through the aperture of the variable aperture stop 101 and travels toward the imaging element 103. Reference numeral 102 denotes a shutter disposed between the variable aperture stop 101 and the image sensor 103, and controls the exposure of the image sensor 103 by opening and closing.

撮像素子103は、被写体像を電気信号に変換して出力するCCDセンサやCMOSセンサ等の光電変換素子により構成される。104は撮像素子103から出力されたアナログ撮像信号をデジタル撮像信号に変換するA/D変換部である。   The image sensor 103 is configured by a photoelectric conversion element such as a CCD sensor or a CMOS sensor that converts an object image into an electric signal and outputs the electric signal. Reference numeral 104 denotes an A / D converter that converts an analog image signal output from the image sensor 103 into a digital image signal.

106はデフォーカス制御部であり、後述する撮像制御部109からの指令を受けて、画像ずらし画像間の画素ずらし量に応じて撮像素子103に対する被写体像の結像面の位置を変更するようフォーカス制御部105に対して指令を出す。107は開口制御部であり、撮像制御部109からの指令を受けて、可変開口絞り101において形成する開口の位置と形状を制御する。108は露光制御部108であり、開口制御部107を通じて可変開口絞り101の開口サイズを制御したり、シャッタ102の開閉動作を制御したりする。   A defocus control unit 106 receives a command from an imaging control unit 109 (to be described later), and focuses to change the position of the imaging surface of the subject image with respect to the image sensor 103 according to the pixel shift amount between the image shift images. A command is issued to the control unit 105. Reference numeral 107 denotes an aperture control unit, which receives a command from the imaging control unit 109 and controls the position and shape of the aperture formed in the variable aperture stop 101. An exposure control unit 108 controls the aperture size of the variable aperture stop 101 and the opening / closing operation of the shutter 102 through the aperture control unit 107.

撮像制御部109は、撮像装置1全体の動作を司る。また、撮像制御部109は、A/D変換部104から出力されるデジタル撮像信号のうち輝度成分から可変開口絞り101の開口サイズやシャッタ102の開閉速度(シャッタ速度)を含む露光条件を決定する。さらに、撮像制御部109は、A/D変換部104からのデジタル撮像信号から高周波成分を抽出して画像のコントラストを示す評価値を生成し、その該評価値がピークとなるフォーカスレンズ100aの位置である合焦位置を検出する。この合焦位置にフォーカスレンズ100aを移動させれば、撮像光学系100による被写体像の結像面の位置が撮像素子103の撮像面の位置に一致した合焦状態が得られる。つまり、オートフォーカスが行われる。この撮像制御部109と、上述したデフォーカス制御部106および開口制御部107とにより制御手段が構成される。   The imaging control unit 109 manages the overall operation of the imaging apparatus 1. The imaging control unit 109 also determines exposure conditions including the aperture size of the variable aperture stop 101 and the opening / closing speed (shutter speed) of the shutter 102 from the luminance component of the digital imaging signal output from the A / D conversion unit 104. . Further, the imaging control unit 109 generates an evaluation value indicating the contrast of the image by extracting a high frequency component from the digital imaging signal from the A / D conversion unit 104, and the position of the focus lens 100a at which the evaluation value reaches a peak. The in-focus position is detected. When the focus lens 100 a is moved to this focus position, a focus state in which the position of the imaging surface of the subject image by the imaging optical system 100 matches the position of the imaging surface of the image sensor 103 is obtained. That is, autofocus is performed. The imaging control unit 109, the defocus control unit 106, and the aperture control unit 107 described above constitute a control unit.

110は撮像制御部109で用いる制御用データや処理プログラム等を記憶したフラッシュROM等により構成されるメモリである。111は各種調整値等の情報を記憶したEEPROM等の不揮発性メモリである。   A memory 110 includes a flash ROM or the like that stores control data and processing programs used by the imaging control unit 109. Reference numeral 111 denotes a nonvolatile memory such as an EEPROM which stores information such as various adjustment values.

112は超解像処理部であり、A/D変換部104からのデジタル撮像信号を用いて画素ずらし画像を生成するとともに、複数の画素ずらし画像を合成して超解像画像(超解像度画像ともいう)を生成する超解像処理を行う。超解像画像は、撮像素子103の画素数に対応する各画素ずらし画像の解像度よりも高い解像度である超解像度を有する画像である。超解像処理部112は、画像生成手段に相当する。   A super-resolution processing unit 112 generates a pixel-shifted image using a digital image pickup signal from the A / D conversion unit 104, and combines a plurality of pixel-shifted images to generate a super-resolution image (also referred to as a super-resolution image). Super-resolution processing is generated. The super-resolution image is an image having a super-resolution that is higher than the resolution of each pixel-shifted image corresponding to the number of pixels of the image sensor 103. The super-resolution processing unit 112 corresponds to an image generation unit.

113は画像処理部であり、生成された超解像画像をより視覚的に好ましい画像にする処理を行う。具体的には、超解像画像に対してオートゲインコントロール、オートホワイトバランス、画素補間処理および色変換処理等を行う。   Reference numeral 113 denotes an image processing unit that performs processing to make the generated super-resolution image a more visually preferable image. Specifically, auto gain control, auto white balance, pixel interpolation processing, color conversion processing, and the like are performed on the super-resolution image.

114は圧縮部であり、超解像画像をJPEG等の圧縮方式で圧縮する。115は第1フレームメモリであり、A/D変換部104でデジタル化された画像を数フレーム記憶するである。116は第2フレームメモリであり、超解像処理部112で生成され、画像処理部113で処理された画像を一時的に記憶する。117は第1および第2フレームメモリ110,111に対する画像の入出力を制御するメモリ制御部である。118は生成された超解像画像を不図示の表示装置や記録装置に出力するための画像出力部である。   Reference numeral 114 denotes a compression unit that compresses the super-resolution image using a compression method such as JPEG. Reference numeral 115 denotes a first frame memory which stores several frames of the image digitized by the A / D conversion unit 104. Reference numeral 116 denotes a second frame memory, which temporarily stores an image generated by the super-resolution processor 112 and processed by the image processor 113. Reference numeral 117 denotes a memory control unit that controls input / output of images to the first and second frame memories 110 and 111. Reference numeral 118 denotes an image output unit for outputting the generated super-resolution image to a display device or recording device (not shown).

次に、本実施例の撮像装置1(撮像制御部109、デフォーカス制御部106、開口制御部107および超解像処理部112)が行う撮像動作について、図2のフローチャートを用いて説明する。撮像動作には、被写体を撮像して複数の画素ずらし画像を取得する動作(画素ずらし画像取得方法)と、該複数の画素ずらし画像を合成して超解像画像を生成して表示装置や記録装置に出力する動作とを含む。この撮像動作は、コンピュータとしての撮像制御部109、デフォーカス制御部106、開口制御部107および超解像処理部112によりコンピュータプログラムである画素ずらし画像取得プログラムおよび超解像処理プログラムに従って実行される。   Next, imaging operations performed by the imaging apparatus 1 (imaging control unit 109, defocus control unit 106, aperture control unit 107, and super-resolution processing unit 112) according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. The imaging operation includes an operation of capturing a subject and acquiring a plurality of pixel-shifted images (a pixel-shifted image acquisition method), and generating a super-resolution image by combining the plurality of pixel-shifted images to display a display device or recording Output to the device. This imaging operation is executed by the imaging control unit 109, the defocus control unit 106, the aperture control unit 107, and the super-resolution processing unit 112 as a computer according to a pixel shift image acquisition program and a super-resolution processing program that are computer programs. .

ステップS101では、撮像制御部109は、ユーザにより不図示の撮像開始ボタンが押されると、画素ずらし画像を取得するための露光条件およびフォーカス条件を含む撮像条件を算出(決定)する。このとき、撮像制御部109は、不揮発性メモリ111に記憶された必要な画素ずらし画像の数に応じて可変開口絞り101の開口形状を決定する。画素ずらし画像の数はユーザが設定してもよい。   In step S101, the imaging control unit 109 calculates (determines) imaging conditions including an exposure condition and a focus condition for acquiring a pixel-shifted image when an imaging start button (not shown) is pressed by the user. At this time, the imaging control unit 109 determines the aperture shape of the variable aperture stop 101 according to the number of necessary pixel shifted images stored in the nonvolatile memory 111. The number of pixel shifted images may be set by the user.

以下の説明では、撮像素子103の画素数(解像度)に対して縦横2倍の解像度を有する超解像画像を生成するために4枚の画素ずらし画像を取得する(画素ずらし撮像を行う)場合について説明する。ただし、4枚の画素ずらし画像は例に過ぎず、他の枚数の画素ずらし画像を取得してもよい。   In the following description, four pixel-shifted images are acquired (pixel-shifted imaging is performed) in order to generate a super-resolution image having a resolution twice as long as the number of pixels (resolution) of the image sensor 103. Will be described. However, the four pixel-shifted images are merely examples, and another number of pixel-shifted images may be acquired.

図3(a)には、液晶素子により構成された可変開口絞り101を、その中心を通り互いに直交する2つのラインにより4つの1/4円形状(瞳面を4分割した形状)の領域に分割した例を示している。図3(a)では、それら4つの領域のうち1つの領域を透過状態(光通過状態)とすることで1/4円形状の開口を形成し、他の3つの領域を遮光状態としている。4枚の画素ずらし画像を取得する際には、1枚の画素ずらし画像を取得するための1回の撮像ごとに透過状態とする領域を変更することにより、互いに異なる4つの開口を通過した光束により形成される4つの被写体像を順次撮像する。   In FIG. 3A, the variable aperture stop 101 formed of a liquid crystal element is divided into four quarter-circle regions (a shape obtained by dividing the pupil plane into four) by two lines passing through the center and orthogonal to each other. An example of division is shown. In FIG. 3A, one of these four regions is set in a transmissive state (light passing state) to form a 1/4 circular opening, and the other three regions are in a light shielding state. When acquiring four pixel-shifted images, the light flux that has passed through four different apertures is changed by changing the region to be transmitted for each imaging to acquire one pixel-shifted image. The four subject images formed by the above are sequentially picked up.

なお、開口の形状は、必ずしも図3(a)のように1/4円形状でなくてもよい。例えば、正方配列の撮像素子が用いられる場合には、4つの開口のそれぞれの中心が正方形の頂点となるように配置されていれば、図3(b)に示すような円形等、任意の形状とすることができる。また、開口の形状およびサイズは露光条件に応じて決まり、図3(a),(b)に示すように4つの開口が互いに重なり合わない形状および大きさであってもよいし、一部同士が重なり合う形状および大きさであってもよい。つまり、4つの開口は、光軸方向に対して直交する面内(瞳面内)においてそれらの中心(または重心)の位置が互いに異なればよい。   Note that the shape of the opening does not necessarily have to be a quarter circle as shown in FIG. For example, when a square array image sensor is used, any shape such as a circle as shown in FIG. 3B can be used as long as the centers of the four openings are arranged to be the apexes of a square. It can be. Further, the shape and size of the opening are determined according to the exposure conditions, and may be a shape and size in which the four openings do not overlap each other as shown in FIGS. The shape and size may overlap. That is, the positions of the four apertures only need to be different from each other in the center (or center of gravity) in a plane orthogonal to the optical axis direction (in the pupil plane).

ステップS102では、撮像制御部109は、デフォーカス制御部106に、不揮発性メモリ111に記憶された必要な画素ずらし量の画素ずらし撮像を行うためのデフォーカス制御を行わせる。このデフォーカス制御の動作を、図4のフローチャートを用いて説明する。   In step S <b> 102, the imaging control unit 109 causes the defocus control unit 106 to perform defocus control for performing pixel shift imaging of a necessary pixel shift amount stored in the nonvolatile memory 111. The operation of this defocus control will be described using the flowchart of FIG.

ステップS201では、デフォーカス制御部106は、撮像素子103の画素サイズμと、撮像光学系100の焦点距離fと、被写体距離(撮像光学系100の前側主点からフォーカス面上の被写体までの距離)aとを取得する。被写体距離aは、フォーカスレンズ100aの合焦位置等から算出してもよいし、測距センサを用いて測定してもよい。また、デフォーカス制御部106は、撮像光学系100の光軸から可変開口絞り101における開口の中心までの距離である開口距離Rを取得する。   In step S201, the defocus control unit 106 determines the pixel size μ of the image sensor 103, the focal length f of the imaging optical system 100, and the subject distance (the distance from the front principal point of the imaging optical system 100 to the subject on the focus plane). ) Get a. The subject distance a may be calculated from the in-focus position of the focus lens 100a or may be measured using a distance measuring sensor. In addition, the defocus control unit 106 acquires an aperture distance R that is a distance from the optical axis of the imaging optical system 100 to the center of the aperture of the variable aperture stop 101.

そして、デフォーカス制御部106は、これら画素サイズμ、焦点距離f、被写体距離aおよび開口距離Rに応じて、画素ずらしをするために必要な撮像光学系100のフォーカス面の位置の補正量(以下、フォーカス補正量という)dを算出する。撮像光学系100のピントが合う被写体側のフォーカス面の位置を補正して、撮像光学系100を被写体に対してデフォーカス状態とすることにより、被写体像の結像面が撮像素子103(撮像面)に対して位置差を持つ。開口距離Rは、ステップS101で決定された開口形状に応じて算出され、予め不揮発性メモリ111に記憶しておいてもよい。   Then, the defocus control unit 106 corrects the position of the focus surface of the imaging optical system 100 necessary for shifting the pixels according to the pixel size μ, the focal length f, the subject distance a, and the aperture distance R ( Hereinafter, d is calculated. By correcting the position of the focus surface on the subject side on which the imaging optical system 100 is in focus and bringing the imaging optical system 100 into a defocused state with respect to the subject, the imaging surface of the subject image is changed to the imaging element 103 (imaging surface). ). The opening distance R may be calculated according to the opening shape determined in step S101 and stored in advance in the nonvolatile memory 111.

撮像光学系100のフォーカス面の位置を補正するのは、以下の理由による。図5(a)に実線で示すように、フォーカス面上のある一点からの光束は、可変開口絞り101における開口の位置を変更しても同じ結像面(つまりは撮像面)上の一点に結像するため、画素ずらしすることができない。一方、撮像光学系100がデフォーカスした面(デフォーカス面)上のある一点からの光束の可変開口における主光線は、図5(a)に点線で示すように、可変開口絞り101における開口の位置を変更することで、撮像面上の異なる位置に到達するため、画素ずらしすることができる。可変開口絞り101における開口の位置を変更して画素ずらしする場合において、撮像面上での画素ずらし量Sは、フォーカス面の位置を変更したときに該開口を通過する主光線の変更前後での結像面のずれ量に対応する。   The reason for correcting the position of the focus surface of the imaging optical system 100 is as follows. As indicated by a solid line in FIG. 5A, the light beam from a certain point on the focus plane is changed to a point on the same image plane (that is, the imaging plane) even if the aperture position of the variable aperture stop 101 is changed. Since the image is formed, the pixels cannot be shifted. On the other hand, the principal ray at the variable aperture of the light beam from a certain point on the surface (defocus surface) defocused by the imaging optical system 100 is the aperture of the variable aperture stop 101 as indicated by the dotted line in FIG. By changing the position, it reaches a different position on the imaging surface, so that the pixels can be shifted. In the case where the pixel position is shifted by changing the position of the aperture in the variable aperture stop 101, the pixel shift amount S on the imaging surface is the amount before and after the change of the principal ray passing through the opening when the position of the focus surface is changed. This corresponds to the amount of deviation of the image plane.

このとき、撮像光学系100のデフォーカスによって撮像面上ではフォーカス面の像はぼけるが、画素ずらし量をサブ画素のレベルに設定することによって、ぼけ量は微小となり、画質に対する影響は小さい。RGB等のベイヤー配列の場合、画素ずらし量を1画素に設定しても良いが、この場合であってもぼけ量は小さく、画像に対する影響は小さい。   At this time, the image of the focus plane is blurred on the imaging plane due to the defocusing of the imaging optical system 100, but by setting the pixel shift amount to the sub-pixel level, the blur amount becomes minute and the influence on the image quality is small. In the case of a Bayer array such as RGB, the pixel shift amount may be set to one pixel, but even in this case, the blur amount is small and the influence on the image is small.

以上のように、フォーカス面の被写体に対して画素ずらし撮像を行うために、該被写体に対して撮像光学系100を合焦状態とした後に、必要な画素ずらし量に応じて該被写体に対して撮像光学系100をデフォーカスさせるようにフォーカス面の位置を補正する。   As described above, in order to perform imaging by shifting the pixel with respect to the subject on the focus surface, the imaging optical system 100 is brought into focus with respect to the subject, and then the subject is subjected to the required amount of pixel shift. The position of the focus surface is corrected so that the imaging optical system 100 is defocused.

画素ずらし量Sは、以下の式(1)により表される。式(1)において、aはフォーカス面までの被写体距離であり、bはフォーカス面に合焦している撮像光学系100の後側主点(図5(b)では前側主点と後側主点とを同一点として示している)から像面までの距離を像距離である。また、a′はデフォーカス面までの被写体距離であり、b′はデフォーカス面に合焦していると仮定したときの像距離である。このとき   The pixel shift amount S is expressed by the following equation (1). In Expression (1), a is the subject distance to the focus plane, and b is the rear principal point of the imaging optical system 100 focused on the focus plane (in FIG. 5B, the front principal point and the rear principal point). The distance from the image plane to the image plane is the image distance. Further, a ′ is a subject distance to the defocus plane, and b ′ is an image distance when it is assumed that the defocus plane is in focus. At this time

である。 It is.

4枚の単色の画素ずらし画像を取得する場合、これらのうち1枚の画像に対する他の3枚の画像の画素ずらし量は、横方向にのみ半画素、縦方向にのみ半画素および横方向と縦方向に半画素ずつとするのが望ましい。この場合、対角方向では半画素×√2の画素ずらし量となる。図5(a)では、可変開口絞り101において対角方向に位置する開口における主光線の軌跡を示している。図5(a)に示す画素ずらし量Sの2倍の画素ずらし量が、対角方向での画素ずらし量である半画素×√2に対応する。このため、画素サイズをμとすると、半画素はμ/2となり、画素ずらし量Sは、   When acquiring four single-color pixel-shifted images, the pixel shift amount of the other three images with respect to one image is half pixel only in the horizontal direction, half pixel only in the vertical direction, and horizontal direction. It is desirable to use half pixels in the vertical direction. In this case, the pixel shift amount is half pixel × √2 in the diagonal direction. FIG. 5A shows the locus of the principal ray at the aperture located in the diagonal direction in the variable aperture stop 101. The pixel shift amount twice as large as the pixel shift amount S shown in FIG. 5A corresponds to half pixel × √2, which is the pixel shift amount in the diagonal direction. Therefore, if the pixel size is μ, the half pixel is μ / 2, and the pixel shift amount S is

となる。 It becomes.

図5(b)には、補正後のフォーカス面(補正前のフォーカス面上の被写体に対してデフォーカスした後のフォーカス面)からの主光線、すなわち画素ずらし撮像を行うときに撮像面上に結像する主光線を実線で示す。このようにフォーカス面の位置を補正することで、補正前のフォーカス面上の被写体からの主光線は、撮像面上における補正前の到達位置からずれた位置に到達する。この到達位置のずれ量が画素ずらし量Sに相当する。   FIG. 5B shows the principal ray from the corrected focus plane (the focus plane after defocusing the subject on the focus plane before correction), that is, on the imaging plane when performing pixel-shifted imaging. The principal ray to be imaged is indicated by a solid line. By correcting the position of the focus surface in this way, the principal ray from the subject on the focus surface before correction reaches a position shifted from the arrival position before correction on the imaging surface. The amount of shift of the arrival position corresponds to the pixel shift amount S.

被写体側でのフォーカス面の補正量であるフォーカス補正量dは、図5(b)から分かるように、   As can be seen from FIG. 5B, the focus correction amount d, which is the correction amount of the focus surface on the subject side, is

である。このため、式(1)〜(3)より、半画素ずつの画素ずらし量を有する4枚の画素ずらし画像を取得するための画素ずらし撮像を行うときの被写体側でのフォーカス補正量dは、 It is. Therefore, from the expressions (1) to (3), the focus correction amount d on the subject side when performing pixel-shifted imaging for obtaining four pixel-shifted images each having a pixel shift amount of half a pixel is given by

と表すことができる。式(4)からフォーカス補正量dは、被写体距離aが決まることで一意に算出することができる。 It can be expressed as. From equation (4), the focus correction amount d can be uniquely calculated by determining the subject distance a.

ステップS202では、デフォーカス制御部106は、ステップS201で算出したフォーカス補正量dに応じて、フォーカス制御部105を介してフォーカスレンズ100aの光軸方向での位置を変更する。   In step S202, the defocus control unit 106 changes the position of the focus lens 100a in the optical axis direction via the focus control unit 105 according to the focus correction amount d calculated in step S201.

なお、本実施例では、被写体側でのフォーカス補正量を求めて撮像光学系100のデフォーカス制御を行う場合について説明したが、像側でのフォーカス補正量を求めてデフォーカス制御を行ってもよい。つまり、可変開口絞り101の開口を通過した光束の結像面と撮像素子103(撮像面)とが、画素ずらし量に応じた光軸方向位置差(デフォーカス量)を有する位置関係となるようにフォーカスレンズ100aの位置を制御する。   In this embodiment, the case where the focus correction amount on the subject side is obtained and the defocus control of the imaging optical system 100 is performed has been described, but the focus correction amount on the image side is obtained and the defocus control is performed. Good. That is, the imaging plane of the light beam that has passed through the aperture of the variable aperture stop 101 and the imaging element 103 (imaging plane) have a positional relationship that has a positional difference (defocus amount) in the optical axis direction according to the pixel shift amount. The position of the focus lens 100a is controlled.

図2に戻り、ステップS103では、撮像制御部109は、ステップS101で算出した撮影条件と画素ずらし撮像の回数とに応じて、開口制御部107を介して可変開口絞り101の開口の位置と形状を制御する。   Returning to FIG. 2, in step S <b> 103, the imaging control unit 109 determines the position and shape of the aperture of the variable aperture stop 101 via the aperture control unit 107 according to the imaging condition calculated in step S <b> 101 and the number of times of pixel shifting imaging. To control.

そして、ステップS104では、撮像制御部109は、ステップS101で決定したシャッタ速度で画素ずらし撮像を行う。撮像素子103からは、被写体像を光電変換して得られたアナログ撮像信号が出力され、該アナログ撮像信号はA/D変換部104でデジタル撮像信号に変換されてメモリ制御部117を介してフレームメモリ115に記憶される。   In step S104, the imaging control unit 109 performs pixel shift imaging at the shutter speed determined in step S101. An analog imaging signal obtained by photoelectrically converting the subject image is output from the imaging element 103, and the analog imaging signal is converted into a digital imaging signal by the A / D conversion unit 104, and the frame is passed through the memory control unit 117. Stored in the memory 115.

次にステップS105では、撮像制御部109は、画素ずらし撮像の回数がN回(画素ずらし画像の取得枚数がN枚)であるか否か、本実施例では4回(4枚)か否かを判定する。画素ずらし撮像の回数がN(=4)回に達していない場合はステップS103に戻り、可変開口絞り101での開口の位置を変更し、再びステップS104に戻って画素ずらし撮像を行う。画素ずらし撮像の回数がN(=4)回に達した場合は次のステップS106に進む。   Next, in step S105, the imaging control unit 109 determines whether or not the number of pixel-shifted imaging is N (the number of acquired pixel-shifted images is N), and is four (four) in the present embodiment. Determine. If the number of pixel-shifted imaging has not reached N (= 4) times, the process returns to step S103, the aperture position at the variable aperture stop 101 is changed, and the process returns to step S104 again to perform pixel-shifted imaging. When the number of pixel-shifted imaging has reached N (= 4) times, the process proceeds to the next step S106.

ステップS106では、撮像制御部109は、超解像処理部112に、取得したN(=4)枚の画素ずらし画像を用いて超解像処理を行い、超解像画像を生成する。この超解像処理を図6のフローチャートを用いて説明する。ここでは、超解像処理として、再構成型超解像処理を行う場合について説明する。   In step S106, the imaging control unit 109 performs super-resolution processing on the super-resolution processing unit 112 using the acquired N (= 4) pixel-shifted images to generate a super-resolution image. This super-resolution processing will be described with reference to the flowchart of FIG. Here, a case where reconfigurable super-resolution processing is performed as super-resolution processing will be described.

まずステップS301において、超解像処理部112は、ステップS105までで取得されたN枚の画素ずらし画像(1枚の超解像処理の対象画像としてのリファレンス画像と他の3枚の画像)の入力を受ける。   First, in step S301, the super-resolution processing unit 112 performs N pixel-shifted images (a reference image as a target image for super-resolution processing and the other three images) acquired up to step S105. Receive input.

そして、同ステップにおいて、超解像処理部112は、入力されたリファレンス画像に対して、設定された拡大倍率に応じた拡大処理を行い、最初の推定超解像画像(以下、初期推定超解像画像という)を生成する。拡大処理としては、単純な線形補間やスプライン補間等、どのような方法を用いてもよい。   Then, in the same step, the super-resolution processing unit 112 performs an enlargement process according to the set enlargement magnification on the input reference image to obtain an initial estimated super-resolution image (hereinafter, initial estimated super-resolution). Image). As the enlargement processing, any method such as simple linear interpolation or spline interpolation may be used.

次にステップS302では、超解像処理部112は、ステップS301にて生成した初期推定超解像画像に対する劣化過程を演算し、N枚の低解像画像を生成する。ここにいう劣化過程は、撮像光学系100および撮像素子103を含む撮像系による画像の劣化過程である。この劣化過程の演算には、劣化過程をモデル化して得られた観測モデルを使用する。観測モデルは、撮像系の応答関数PSF(点像分布関数)を用いて以下の式(5)により与えられる。   Next, in step S302, the super-resolution processing unit 112 calculates a degradation process for the initial estimated super-resolution image generated in step S301, and generates N low-resolution images. The deterioration process referred to here is an image deterioration process by an imaging system including the imaging optical system 100 and the imaging element 103. For the calculation of the deterioration process, an observation model obtained by modeling the deterioration process is used. The observation model is given by the following equation (5) using the response function PSF (point spread function) of the imaging system.

ここで、Xは超解像画像を示し、Y′は劣化過程後のk枚目の低解像画像を示す。*は畳み込み演算(コンボリューション)を示し、nは付加的なノイズを示す。PSFはk枚目の画素ずらし画像に対する撮像系の応答関数を示す。 Here, X represents a super-resolution image, and Y ′ k represents the k-th low-resolution image after the deterioration process. * Indicates convolution operation (convolution), and n indicates additional noise. PSF k represents a response function of the imaging system for the k-th pixel shifted image.

ステップS105までで取得したN枚の画素ずらし画像は、可変開口絞り101の開口位置の変更に伴い撮像光学系100内の異なる位置を通過した光束により形成された被写体像を撮像して得られた画像である。このため、同じ撮像光学系100を用いて撮像された画像であるが、互いに異なるPSFにより劣化する。劣化過程の演算は、式(5)の右辺の第一項を用いて行う。なお、観測モデルに関しては、上記式(5)で与えられるものに限らず、撮像系の特性や超解像処理のアルゴリズムに応じて適宜決定すればよい。また、劣化過程を演算する際には、画像を複数に分割して得られた複数の分割領域のうち演算する画素が含まれる分割領域に対応する撮像系の応答関数を用いて式(5)を演算する。   The N pixel-shifted images acquired up to step S105 are obtained by capturing a subject image formed by a light beam that has passed through a different position in the imaging optical system 100 as the aperture position of the variable aperture stop 101 is changed. It is an image. For this reason, images captured using the same imaging optical system 100 are deteriorated by different PSFs. The calculation of the deterioration process is performed using the first term on the right side of Equation (5). Note that the observation model is not limited to that given by the above equation (5), and may be determined as appropriate according to the characteristics of the imaging system and the algorithm of super-resolution processing. Further, when calculating the degradation process, Expression (5) is used by using the response function of the imaging system corresponding to the divided area including the pixel to be calculated among the plurality of divided areas obtained by dividing the image into a plurality of parts. Is calculated.

次にステップS303では、超解像処理部112は、劣化過程の演算により生成したN枚の低解像画像を用いて評価値(以下、超解像評価値という)を演算する。
超解像評価値Jは、例えば、以下の式(6)により算出する。
Next, in step S303, the super-resolution processing unit 112 calculates an evaluation value (hereinafter referred to as a super-resolution evaluation value) using N low-resolution images generated by the calculation of the deterioration process.
The super-resolution evaluation value J is calculated by, for example, the following formula (6).

ここで、Yはk枚目の画素ずらし画像(撮影画像)を示し、Y′はk枚目の低解像画像を示す。αは拘束パラメータを示し、cは推定超解像画像に対する事前情報を表す行列を示す。また、
Here, Y k represents the k-th pixel-shifted image (captured image), and Y ′ k represents the k-th low-resolution image. α represents a constraint parameter, and c represents a matrix representing prior information for the estimated super-resolution image. Also,

はL2ノルムを示す。 Indicates the L2 norm.

式(6)の右辺の第一項は、撮影画像と推定超解像画像を劣化させて生成した低解像画像とを比較することで、推定超解像画像の評価を行う項である。また、式(6)の右辺の第二項は、推定超解像画像の尤もらしさを評価する項であり、推定超解像画像に対する既知の情報や性質を使用して評価する。拘束パラメータαは、画像や撮像系に合わせて適宜設定され、cはハイパスフィルタ等を表す行列である。なお、超解像評価値Jとして、式(6)で示すものに代えて、
“Multiframe Demosaicing and Super-Resolution of ColorImages”(IEEE TRANSACTION ON IMAGE PROCESSING,VOL.15,NO.1,JANUARY 2006)
で説明される、バイラテラルフィルタを用いて評価する方法や、色の相関を用いて評価する方法を用いてもよい。
The first term on the right side of Equation (6) is a term for evaluating the estimated super-resolution image by comparing the captured image with a low-resolution image generated by degrading the estimated super-resolution image. The second term on the right side of Equation (6) is a term for evaluating the likelihood of the estimated super-resolution image, and is evaluated using known information and properties of the estimated super-resolution image. The constraint parameter α is appropriately set according to the image and the imaging system, and c is a matrix representing a high-pass filter or the like. Note that, as the super-resolution evaluation value J, instead of the one represented by the equation (6),
“Multiframe Demosaicing and Super-Resolution of ColorImages” (IEEE TRANSACTION ON IMAGE PROCESSING, VOL.15, NO.1, JANUARY 2006)
A method for evaluating using a bilateral filter or a method for evaluating using color correlation may be used.

次にステップS304では、超解像処理部112は、ステップS303で算出した超解像評価値Jが閾値β以下であるか否かを判定する。閾値βは、画像の種類や撮像系の性能、さらに超解像処理の目的に応じて適宜設定される。J>βである場合はステップS305に進み、J≦βである場合には、超解像処理を終了し、推定超解像画像を超解像画像に設定する。   Next, in step S304, the super-resolution processing unit 112 determines whether or not the super-resolution evaluation value J calculated in step S303 is equal to or less than the threshold value β. The threshold β is appropriately set according to the type of image, the performance of the imaging system, and the purpose of super-resolution processing. If J> β, the process proceeds to step S305. If J ≦ β, the super-resolution processing is terminated and the estimated super-resolution image is set as a super-resolution image.

ステップS305では、超解像処理部112は、ステップS303で算出した超解像評価値Jを最適化する方向に推定超解像画像を更新する。更新の方法としては、どのような最適化手法を用いてもよいが、例として最急降下法を用いて、   In step S305, the super-resolution processing unit 112 updates the estimated super-resolution image in a direction in which the super-resolution evaluation value J calculated in step S303 is optimized. As an update method, any optimization method can be used, but as an example, using the steepest descent method,

として更新すればよい。ここで、X′は更新後の超解像画像を示し、γは更新ステップサイズを設定する定数である。これ以降、X′を推定超解像画像としてステップS302からの処理をステップS304にてJ≦βとなるまで繰り返して超解像画像を得る。 You can update as Here, X ′ represents an updated super-resolution image, and γ is a constant for setting an update step size. Thereafter, X ′ is assumed to be an estimated super-resolution image, and the processing from step S302 is repeated until J ≦ β in step S304 to obtain a super-resolution image.

図2に戻り、ステップS107では、撮像制御部109は、ステップS106で生成された超解像画像をメモリ116に保存する。このとき必要に応じて、超解像画像を圧縮部114に圧縮させてからメモリ116に保存する。   Returning to FIG. 2, in step S <b> 107, the imaging control unit 109 stores the super-resolution image generated in step S <b> 106 in the memory 116. At this time, if necessary, the super resolution image is compressed by the compression unit 114 and then stored in the memory 116.

本実施例によれば、1つの撮像素子103を用いて、撮像光学系100を被写体に対してデフォーカス状態とするとともに可変開口絞り101の開口の位置を変更して光束の通過位置を変更することにより、複数の画素ずらし画像を取得することができる。これにより、撮像装置を大型化することなく、高精度に所望の画素ずらし量が与えられた複数の画素ずらし画像を取得することができる。したがって、これらの画素ずらし画像を用いた超解像処理によって良好な超解像画像を生成することができる。   According to the present embodiment, the imaging optical system 100 is defocused with respect to the subject using one imaging element 103, and the position of the aperture of the variable aperture stop 101 is changed to change the light beam passage position. As a result, a plurality of pixel-shifted images can be acquired. Thereby, it is possible to acquire a plurality of pixel shifted images to which a desired pixel shift amount is given with high accuracy without increasing the size of the imaging device. Therefore, a good super-resolution image can be generated by super-resolution processing using these pixel shifted images.

また、本実施例では、可変開口絞り101の開口の形状も可変としているため、様々な画素ずらし量に対応することができる。   In this embodiment, since the shape of the aperture of the variable aperture stop 101 is also variable, various pixel shift amounts can be handled.

なお、本実施例では静止画としての画素ずらし画像を用いて静止画としての超解像画像を生成する場合について説明したが、動画像に対しても開口の位置を変更しながら高速撮像を行うことで、動画像としての超解像画像を生成することも可能である。   In this embodiment, the case of generating a super-resolution image as a still image using a pixel-shifted image as a still image has been described, but high-speed imaging is performed while changing the position of the opening for a moving image. Thus, it is possible to generate a super-resolution image as a moving image.

図7には、本発明の実施例2である撮像装置2の構成を示している。本実施例において、実施例1の撮像装置1と共通する構成要素には、実施例1と同符号を付して説明に代える。また、本実施例での撮像動作の流れも、基本的には、実施例1にて図2を用いて説明した撮像動作と同じである。ただし、本実施例では、可変開口絞り202は、複数の開口を選択的に開閉可能な構造を有する。また、本実施例では、撮像素子103が光軸方向に移動可能な構成を有しており、これとの関係で撮像動作中のデフォーカス制御の内容が実施例1において図4を用いて説明したデフォーカス制御とは異なる。   FIG. 7 shows a configuration of an image pickup apparatus 2 that is Embodiment 2 of the present invention. In the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment, and the description is omitted. The flow of the imaging operation in the present embodiment is basically the same as the imaging operation described in Embodiment 1 with reference to FIG. However, in this embodiment, the variable aperture stop 202 has a structure capable of selectively opening and closing a plurality of apertures. In this embodiment, the image sensor 103 is configured to be movable in the optical axis direction, and the contents of the defocus control during the imaging operation in relation to this are described with reference to FIG. 4 in the first embodiment. This is different from the defocus control.

可変開口絞り201は、図8に示すように、その中心を通り互いに直交する2つのラインにより分割された4つの領域のそれぞれに円形の開口を有する基板201aと、各開口を開閉するための遮光羽根201bとを有する。遮光羽根201bは、各開口に対して複数設けられており、該遮光羽根201bを開くことで開口は光通過状態となり、遮光羽根201bを閉じることで開口は遮光状態となる。基板201aには、各開口に設けられた複数の遮光羽根201bを開閉駆動する不図示のアクチュエータが取り付けられている。遮光羽根201bを開く1つの開口と遮光羽根201b閉じる3つの開口を切り替えることで、可変開口絞り201において被写体からの光束が通過する開口の位置を変更可能である。また、各開口に設けられた遮光羽根201bの開閉方向での位置を変更することで、開口の大きさを変更して通過光量を調節することができる。   As shown in FIG. 8, the variable aperture stop 201 has a substrate 201a having a circular opening in each of four regions divided by two lines passing through the center and orthogonal to each other, and a light shielding for opening and closing each opening. And blades 201b. A plurality of light shielding blades 201b are provided for each opening, and opening the light shielding blade 201b causes the opening to pass light, and closing the light shielding blade 201b causes the opening to be in a light shielding state. An actuator (not shown) that opens and closes a plurality of light shielding blades 201b provided in each opening is attached to the substrate 201a. By switching between one opening for opening the light shielding blade 201b and three openings for closing the light shielding blade 201b, the position of the opening through which the light beam from the subject passes can be changed in the variable aperture stop 201. Further, by changing the position of the light shielding blade 201b provided in each opening in the opening and closing direction, the size of the opening can be changed and the amount of light passing through can be adjusted.

デフォーカス制御部206は、ピエゾ素子等で構成された撮像素子移動部219を制御して撮像素子103を光軸方向に移動させる。本実施例では、この撮像素子103の移動により、撮像光学系100および可変開口絞り201の開口を通過した光束が結像する結像面に対する撮像素子103の光軸方向での位置、つまりは結像面と撮像素子103との同方向での位置関係を変更可能としている。撮像素子103と撮像素子移動部219により位置関係可変手段が構成される。デフォーカス制御部206は、撮像制御部209からの指令を受けて、上記結像面と撮像素子103(撮像面)とが、画素ずらし量に応じた光軸方向位置差(デフォーカス量)を有する位置関係となるように撮像素子103の位置を制御する。   The defocus control unit 206 controls the image sensor moving unit 219 configured with a piezo element or the like to move the image sensor 103 in the optical axis direction. In the present embodiment, the movement of the image sensor 103 causes the position in the optical axis direction of the image sensor 103 relative to the imaging plane on which the light flux that has passed through the apertures of the image pickup optical system 100 and the variable aperture stop 201 forms an image, that is, the connection. The positional relationship between the image plane and the image sensor 103 in the same direction can be changed. The image sensor 103 and the image sensor moving unit 219 constitute a positional relationship variable means. Upon receiving a command from the imaging control unit 209, the defocus control unit 206 determines the positional difference (defocus amount) in the optical axis direction according to the pixel shift amount between the imaging surface and the imaging element 103 (imaging surface). The position of the image sensor 103 is controlled so as to satisfy the positional relationship.

なお、本実施例の撮像光学系100は、実施例1と同様にフォーカスレンズ100aを含んでいる。ただし、フォーカスレンズ100aは、フォーカス制御部205によってオートフォーカス(またはマニュアルフォーカス)によるフォーカシングを行うためにのみ光軸方向に移動される。   Note that the imaging optical system 100 of the present embodiment includes a focus lens 100a as in the first embodiment. However, the focus lens 100a is moved in the optical axis direction only in order to perform focusing by autofocus (or manual focus) by the focus control unit 205.

次に、本実施例におけるデフォーカス制御部206が行うデフォーカス制御の動作を図9のフローチャートを用いて説明する。   Next, the operation of the defocus control performed by the defocus control unit 206 in this embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.

ステップS401では、デフォーカス制御部206は、所望の画素ずらし量を得るための撮像素子103の移動量(補正量)である撮像素子移動量dを算出する。撮像素子移動量dは、図10に示す関係より、以下の式(8)により算出される。   In step S401, the defocus control unit 206 calculates an image sensor movement amount d that is a movement amount (correction amount) of the image sensor 103 to obtain a desired pixel shift amount. The imaging element moving amount d is calculated by the following equation (8) from the relationship shown in FIG.

ここで、Sは画素ずらし量であり、bは像距離である。Rは撮像光学系100の光軸から可変開口絞り201の開口の中心までの距離である。 Here, S is a pixel shift amount, and b is an image distance. R is the distance from the optical axis of the imaging optical system 100 to the center of the aperture of the variable aperture stop 201.

本実施例では、N(=4)枚の画素ずらし画像として、ベイヤー配列のカラー画像(カラー画素ずらし画像)を取得する。該4枚のカラー画素ずらし画像うち1枚の画像に対する他の3枚の画像の画素ずらし量は、横方向にのみ1画素、縦方向にのみ1画素および横方向と縦方向に1画素ずつとするのが望ましい。この場合、対角方向では1画素×√2の画素ずらし量となる。そして、実施例1で説明した式(2)と同様に画素サイズをμとすると、画素ずらし量Sは、以下の式(9)で表される。   In this embodiment, a Bayer array color image (color pixel shifted image) is acquired as N (= 4) pixel shifted images. Of the four color pixel shifted images, the pixel shift amount of the other three images with respect to one image is one pixel only in the horizontal direction, one pixel only in the vertical direction, and one pixel in the horizontal and vertical directions. It is desirable to do. In this case, the pixel shift amount is 1 pixel × √2 in the diagonal direction. Then, when the pixel size is μ as in the equation (2) described in the first embodiment, the pixel shift amount S is expressed by the following equation (9).

式(8)に式(9)を代入することで、4枚のカラー画素ずらし画像を撮影する場合の撮像素子移動量dは、以下の式(10)により算出される。   By substituting equation (9) into equation (8), the image sensor movement amount d when photographing four color pixel shifted images is calculated by the following equation (10).

次にステップS402では、デフォーカス制御部206は、撮像素子移動部219を介してステップS401で算出された撮像素子移動量dだけ撮像素子103を光軸方向に移動させる。   In step S402, the defocus control unit 206 moves the image sensor 103 in the optical axis direction by the image sensor movement amount d calculated in step S401 via the image sensor movement unit 219.

なお、被写体距離が遠くなるほど撮像素子移動量dがより微小となり、撮像素子103の位置を制御可能な位置分解能を超えてしまう。このため、被写体距離に対して閾値を設け、被写体距離が該閾値を超える場合は撮像素子103の移動によるデフォーカス制御御を行わないようにしてもよい。   Note that as the subject distance increases, the image sensor movement amount d becomes smaller and exceeds the position resolution capable of controlling the position of the image sensor 103. For this reason, a threshold value may be provided for the subject distance, and when the subject distance exceeds the threshold value, defocus control by moving the image sensor 103 may not be performed.

本実施例では、メカニカルな開閉構造により開閉が可能な開口を複数有する可変開口絞り201を用いることで、実施例1に比べて簡易的な構成で画素ずらし撮像を行うことができる。開口形状の自由度は減るが、液晶に比べ遮光性の点で優れているといった利点もある。また、本実施例では撮像素子を移動させることでデフォーカスによる画素ずらしを行っているが、この方法は実施例1にも適用可能である。   In this embodiment, by using the variable aperture stop 201 having a plurality of openings that can be opened and closed by a mechanical opening and closing structure, it is possible to perform imaging with a pixel shift with a simpler configuration than in the first embodiment. Although the degree of freedom of the opening shape is reduced, there is also an advantage that it is superior in light-shielding properties compared to liquid crystal. In this embodiment, the pixel shift by defocusing is performed by moving the image sensor, but this method is also applicable to the first embodiment.

なお、上記各実施例では、撮像光学系を一体に備えた撮像装置について説明したが、本発明は、撮像装置に対して着脱が可能な交換レンズ等の光学機器にも適用することができる。   In each of the above-described embodiments, the imaging apparatus integrally including the imaging optical system has been described. However, the present invention can also be applied to an optical apparatus such as an interchangeable lens that can be attached to and detached from the imaging apparatus.

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。   Each embodiment described above is only a representative example, and various modifications and changes can be made to each embodiment in carrying out the present invention.

良好な画素ずらし画像を取得可能とする小型の光学機器を提供することができる。   It is possible to provide a small optical apparatus that can acquire a good pixel-shifted image.

1,2 撮像装置
100 撮像光学系
101,201 可変開口絞り
103 撮像素子
106,206 デフォーカス制御部
107,207 開口制御部
109,209 撮像制御部
112 超解像処理部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2 Imaging apparatus 100 Imaging optical system 101,201 Variable aperture stop 103 Imaging element 106,206 Defocus control part 107,207 Aperture control part 109,209 Imaging control part 112 Super-resolution processing part

Claims (8)

撮像素子を用いて超解像画像の生成に用いられる複数の画素ずらし画像を取得する際に使用される光学機器であって、
撮像光学系と、
光束が通過する開口の位置を光軸方向に直交する面内で変更可能な開口位置可変手段と、
前記撮像光学系および前記開口を通過した被写体からの光束が結像する結像面と前記撮像素子との光軸方向での位置関係を変更可能な位置関係可変手段と、
前記結像面と前記撮像素子とが前記画素ずらし画像間での画素ずらし量に応じた光軸方向での位置差を有するように前記位置関係を設定するとともに、前記画素ずらし画像のそれぞれを取得するための撮像ごとに前記開口の位置を変更する制御手段とを有することを特徴とする光学機器。
An optical device used when acquiring a plurality of pixel-shifted images used for generating a super-resolution image using an imaging element,
An imaging optical system;
Aperture position varying means capable of changing the position of the aperture through which the light beam passes in a plane perpendicular to the optical axis direction;
A positional relationship variable means capable of changing a positional relationship in an optical axis direction between an imaging surface on which a light flux from a subject passing through the imaging optical system and the aperture forms an image; and
The positional relationship is set so that the imaging plane and the image sensor have a positional difference in the optical axis direction according to the pixel shift amount between the pixel shifted images, and each of the pixel shifted images is acquired. And a control unit that changes the position of the opening for each imaging to be performed.
前記制御手段は、前記位置関係の設定を行った後に、前記撮像ごとに前記開口の位置を変更することを特徴とする請求項1に記載の光学機器。   The optical apparatus according to claim 1, wherein the control unit changes the position of the opening for each imaging after the setting of the positional relationship. 前記開口位置可変手段は、前記開口の形状を変更可能であ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。   The optical apparatus according to claim 1, wherein the opening position changing unit is capable of changing a shape of the opening. 前記開口位置可変手段は、前記光軸方向に直交する面内に複数の領域を有し、該複数の領域のうち前記開口を形成する領域を光通過状態として他の領域を遮光状態とすることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の光学機器。   The opening position varying means has a plurality of regions in a plane orthogonal to the optical axis direction, and a region where the opening is formed among the plurality of regions is set as a light passing state, and the other regions are set as a light shielding state. The optical apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein: 前記位置関係可変手段は、前記撮像光学系に含まれるフォーカス素子を光軸方向に移動させて前記撮像素子に対する前記結像面の位置を変更することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の光学機器。   5. The position relation variable unit changes a position of the imaging plane with respect to the image pickup element by moving a focus element included in the image pickup optical system in an optical axis direction. 6. The optical apparatus according to one item. 前記位置関係可変手段は、前記撮像素子を光軸方向に移動させて前記結像面に対する前記撮像素子の位置を変更することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の光学機器。   5. The optical according to claim 1, wherein the positional relationship variable unit changes the position of the image sensor with respect to the imaging plane by moving the image sensor in an optical axis direction. 6. machine. 撮像素子と、
該撮像素子からの出力により複数の画素ずらし画像を生成し、該複数の画素ずらし画像を用いて超解像画像を生成する画像生成手段とをさらに有することを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の光学機器。
An image sensor;
7. The image generating device according to claim 1, further comprising image generation means for generating a plurality of pixel-shifted images by an output from the image sensor and generating a super-resolution image using the plurality of pixel-shifted images. The optical apparatus as described in any one.
撮像素子を用いて超解像画像の生成に用いられる複数の画素ずらし画像を取得する際に使用される画素ずらし画像取得方法であって、
光束が通過する開口の位置を光軸方向に直交する面内で変更可能とし、
撮像光学系および前記開口を通過した被写体からの光束が結像する結像面と前記撮像素子との光軸方向での位置関係を変更可能とし、
前記結像面と前記撮像素子とが前記画素ずらし画像間での画素ずらし量に応じた光軸方向での位置差を有するように前記位置関係を設定するとともに、前記画素ずらし画像のそれぞれを取得するための撮像ごとに前記開口の位置を変更することを特徴とする画素ずらし画像取得方法。
A pixel-shifted image acquisition method used when acquiring a plurality of pixel-shifted images used for generating a super-resolution image using an imaging element,
The position of the aperture through which the light beam passes can be changed in a plane perpendicular to the optical axis direction,
It is possible to change the positional relationship in the optical axis direction between the imaging element and the imaging surface on which the light beam from the subject that has passed through the imaging optical system and the aperture forms an image,
The positional relationship is set so that the imaging plane and the image sensor have a positional difference in the optical axis direction according to the pixel shift amount between the pixel shifted images, and each of the pixel shifted images is acquired. A pixel-shifted image acquisition method characterized in that the position of the opening is changed for each imaging to be performed.
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