JP2015211401A - 撮像装置および撮像方法 - Google Patents

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太郎 澤木
Taro Sawaki
太郎 澤木
佐藤 裕之
Hiroyuki Sato
裕之 佐藤
亮介 笠原
Ryosuke Kasahara
亮介 笠原
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株式会社リコー
Ricoh Co Ltd
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Abstract

【課題】合焦位置における被写界深度から外れた位置においても、焦点を合わせて撮像することができる撮像装置および撮像方法を提供する。
【解決手段】レンズユニットは、入射する光に対して収差を与え、撮像素子12は、レンズユニットに入射する被写体からの光を電気信号に変換することによって被写体を撮像して撮像画像を生成し、フィルタ処理部143は、撮像画像を複数のエリアに区分し、それぞれのエリアに対応した逆変換フィルタを導出して、それぞれのエリアの画素に対して逆変換処理を実行する。
【選択図】図9

Description

本発明は、撮像装置および撮像方法に関する。
近年、情報のデジタル化の発展に伴い、撮像装置の分野においてもデジタル化の発展が著しい。特に、デジタルカメラに代表される撮像装置において、撮像面は従来のフィルムに置き換わって固体撮像素子が使用されている。固体撮像素子(以下、単に撮像素子という)として、CCD(Charge Coupled Device)センサまたはCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサ等が使用されている。
このように、撮像素子を使用した撮像装置は、被写体からの光を光学系によって取り込み、固体撮像素子によって光を電気信号に変換して抽出するものである。このような撮像装置として、デジタルカメラの他、ビデオカメラ、シンボルリーダ(バーコードリーダ、二次元コードリーダ、OCR(Optical Character Reader)等)、携帯電話機、携帯情報端末(PDA:Personal Digital Assistant)および産業用カメラ等が挙げられる。
このような、CCDまたはCMOS等の撮像素子を備えた撮像装置として、多焦点の光学系を利用し、焦点が合う被写体側の位置(以下、合焦位置という)を光学系の光軸方向に延伸させ、被写体(バーコード等)の読み取り可能範囲を広げる撮像装置が提案されている(特許文献1参照)。特許文献1に記載された撮像装置は、動作が遅いオートフォーカス機構を用いずに、多焦点の光学系を用いることで、高速に被写体(バーコード等)の読み取りを行っている。
しかしながら、特許文献1に記載された撮像装置は、光学系によって合焦位置を光学系の光軸方向に延伸させているが、各合焦位置における被写界深度の制限により、各合焦位置における被写界深度から外れた位置においては、被写体の焦点が合わないという問題点があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、合焦位置における被写界深度から外れた位置においても、焦点を合わせて撮像することができる撮像装置および撮像方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、入射した光に収差を与える光学系と、前記光学系を通過した前記光を画素に変換して画像を撮像する撮像手段と、前記撮像手段により撮像された撮像画像上のエリアの位置に応じて、それぞれ異なるフィルタ特性を有する逆変換フィルタにより、前記収差によるぼけを復元する逆変換処理を実行する逆変換手段と、を備え、前記光学系および前記撮像手段は、合焦位置が前記光学系の光軸の方向に延伸した合焦面を形成することを特徴とする。
本発明によれば、合焦位置における被写界深度から外れた位置においても、焦点を合わせて撮像することができる。
図1は、第1の実施の形態の撮像システムの全体構成の一例を示す図である。 図2は、第1の実施の形態の情報処理装置のハードウェア構成の一例を示す図である。 図3は、第1の実施の形態の撮像装置の構成の一例を示す図である。 図4は、被写体の距離によって焦点が合うか否かの説明をする図である。 図5は、シャインプルーフの原理を説明する図である。 図6は、シャインプルーフの原理によりレンズユニットの光軸方向に延伸した合焦面を説明する図である。 図7は、撮像画像の位置によって焦点が合うか否かを説明する図である。 図8は、第1の実施の形態の撮像装置における光学系周辺の要部構成の一例を示す図である。 図9は、第1の実施の形態の撮像装置の画像処理部のブロック構成の一例を示す図である。 図10は、第1の実施の形態の撮像装置の撮像素子により撮像される撮像画像の一例を示す図である。 図11は、撮像素子から出力される画素が画像バッファ部に入力される動作を示すタイミングチャートである。 図12は、逆変換フィルタの構成の一例を示す図である。 図13は、画像を逆変換フィルタによってフィルタ処理することを説明する図である。 図14は、画像において逆変換フィルタのフィルタ処理の対象となる対象部分画像をスキャンする動作を説明する図である。 図15は、第1の実施の形態の画像処理部のフィルタ処理部の逆変換フィルタを決定するための周波数特性を演算する流れを示すフローチャートである。 図16は、光学系を通過した光による撮像画像の空間周波数特性を示す図である。 図17は、逆変換処理が行われた画像の空間周波数特性を示す図である。 図18は、合焦面の各位置において被写界深度が拡張された場合に形成される合焦領域を説明する図である。 図19は、撮像素子上でピントの合う領域が拡大されることを説明する図である。 図20は、合焦領域から外れた被写体について説明する図である。 図21は、撮像画像上において焦点が合っている被写体と合っていない被写体とを説明する図である。 図22は、撮像画像の異なる領域にそれぞれ異なる逆変換フィルタを適用する例を示す図である。 図23は、第1の実施の形態の撮像装置の動作の一例を示すフローチャートである。 図24は、第1の実施の形態の変形例に係る撮像装置における光学系周辺の要部構成の一例を示す図である。 図25は、第2の実施の形態のコードリーダの外観構成の一例を示す図である。 図26は、第2の実施の形態のコードリーダの合焦面の位置および動作を説明する図である。
以下に、図面を参照しながら、本発明に係る撮像装置および撮像方法の実施の形態を詳細に説明する。また、以下の実施の形態によって本発明が限定されるものではなく、以下の実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想到できるもの、実質的に同一のもの、およびいわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、以下の実施の形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換、変更および組み合わせを行うことができる。
(第1の実施の形態)
<撮像システムの全体構成>
図1は、第1の実施の形態の撮像システムの全体構成の一例を示す図である。図1を参照しながら、本実施の形態の撮像システム500の構成について説明する。
図1に示すように、本実施の形態の撮像システム500は、撮像装置1と、PC(Personal Computer)2と、を備えている。撮像装置1とPC2とは、Ethernet(登録商標)ケーブル等の通信ケーブル3によって通信可能に接続されている。
撮像装置1は、被写体4からの光を電気信号に変換することによって被写体4を撮像し、撮像画像の情報(以下、単に撮像画像という)に対して画像処理を実行し、画像処理後の画像に含まれるシンボルを認識して、認識したシンボルをデコードし、デコードした情報を、通信ケーブル3を介してPC2へ送信することで、撮像装置1によるシンボルの認識、および認識したシンボルのデコードの動作を、単に「シンボルの認識処理」というものとする。シンボルとしては、例えば、バーコード、二次元コードまたは文字列等が挙げられる。PC2は、撮像装置1から受信したデコードされた情報に基づいて所定の処理を実行する。
例えば、撮像装置1は、生産ラインを流れる製品に添付されたバーコードを撮像して、バーコードを読み取るための認識処理を実行し、デコードされた情報としての品番情報等をPC2に送信する。PC2は、受信した画像からバーコードの情報を読み出して解析する。
なお、図1に示すように、撮像システム500は、撮像装置1とPC2とが通信ケーブル3を介してデータを通信する有線通信方式のシステムとしているが、これに限定されるものではない。例えば、撮像装置1とPC2とは、Wi−Fi(登録商標)(Wireless Fidelity)等の無線通信方式によって互いにデータが通信可能であってもよい。
また、撮像装置1およびPC2が生産ラインにおいて使用される場合、撮像システム500は、PC2がPLC(Programmable Logic Controller)等に通信可能に接続されている構成としてもよい。この場合、撮像システム500の動作として、以下の動作が一例として挙げられる。撮像装置1は、生産ラインを流れる製品に添付されたバーコードを撮像して、認識処理によりバーコードを認識してデコードし、デコードした情報としての品番情報をPC2に送信する。PC2は、受信した品番情報から、生産ラインを流れている製品の品番を判定する。PC2は、判定した品番が、生産ラインにおいて段替えされている品番と不一致である場合、判定した品番に対応する製品は異なる品番の製品であることを示す信号をPLCに送信する。PLCは、PC2から異なる品番の製品であることを示す信号を受信した場合、その製品を生産ラインから除去するように生産ラインの動作を制御する。
<情報処理装置の構成>
図2は、第1の実施の形態の情報処理装置のハードウェア構成の一例を示す図である。図2を参照しながら、情報処理装置の一例であるPC2のハードウェア構成について説明する。
図2に示すように、情報処理装置の一例であるPC2は、通信部21と、操作部22と、表示部23と、記憶部24と、外部記憶装置25と、制御部26と、を備えている。上記の各部は、バス27によって接続され、互いにデータの送受信が可能となっている。
通信部21は、通信ケーブル3を介して、撮像装置1と通信する装置である。通信部21は、例えば、NIC(Network Interface Card)等の通信装置によって実現される。通信部21の通信プロトコルは、例えば、TCP(Transmission Control Protocol)/IP(Internet Protocol)またはUDP(User Datagram Protocol)/IP等によって実現される。
操作部22は、ユーザによって制御部26に対して所定の処理を実行させるための操作入力を行う装置である。操作部22は、例えば、マウス、キーボード、テンキー、タッチパッドまたはタッチパネルにおける操作入力機能によって実現される。
表示部23は、制御部26により実行されているアプリケーション画像等を表示する装置である。表示部23は、例えば、CRT(Cathode Ray Tube)ディスプレイ、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイまたは有機EL(Electroluminescence)ディスプレイ等によって実現される。
記憶部24は、PC2で実行される各種プログラムおよびPC2で行われる各種処理に使用されるデータ等を記憶する装置である。記憶部24は、例えば、ROM(Read Only Memory)およびRAM(Random Access Memory)等の記憶装置によって実現される。
外部記憶装置25は、画像、撮像装置1によりシンボルからデコードされた情報、プログラムおよびフォントデータ等を蓄積して記憶する記憶装置である。外部記憶装置25は、例えば、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)、光ディスク、または光磁気ディスク(MO:Magneto−Optical Disk)等の記憶装置によって実現される。
制御部26は、PC2の各部の動作を制御する装置である。制御部26は、例えば、CPU(Central Processing Unit)およびASIC(Application Specific Integrated Circuit)等で実現される。
<撮像装置の構成>
図3は、第1の実施の形態の撮像装置の構成の一例を示す図である。図3を参照しながら、本実施の形態の撮像装置1の構成について説明する。
図3に示すように、撮像装置1は、レンズユニット11(光学系の一例)と、撮像素子12(撮像手段)と、画像処理部14と、認識処理部15(認識処理手段)と、通信部16と、光源17と、を備えている。
レンズユニット11は、被写体4(図1参照)からの光を集光し、撮像素子12に対して結像させるユニットである。レンズユニット11は、1枚以上のレンズで構成された光学系によって実現される。レンズユニット11は、位相板11aと、絞り11bとを備えている。被写体4は、例えば、人物、被監視物、またはバーコード等のシンボル等である。
位相板11aは、レンズユニット11に入射する光に対して収差を与える作用を有する。その結果、位相板11aは、撮像素子12に入射される光に対して点像分布関数(PSF:Point Spread Function)を付加する作用を有し、撮像素子12で撮像される画像がぼけた状態とする代わりに広い被写界深度でそのぼけが一定となるようにする。なお、レンズユニット11に入射する光に対して収差を与えるのは、位相板11aに限定されるものではなく、レンズユニット11に含まれるレンズによって収差が与えられるものとしてもよい。
絞り11bは、レンズユニット11に入射する光の量を自在に調整する部材であり、位相板11aの近傍に配置されている。
撮像素子12は、レンズユニット11に入射する被写体4からの光を電気信号に変換することによって被写体4を撮像して画像を生成する固体撮像素子である。撮像素子12は、固体撮像素子を構成する各検出単位によって撮像した画像を構成する画素を出力する。撮像素子12は、例えば、CCDセンサまたはCMOSセンサ等によって実現される。
画像処理部14は、撮像素子12から出力される撮像画像から、フィルタ処理を施した画像を生成する。
認識処理部15は、画像処理部14によりフィルタ処理が実行された画像に基づいて、画像に含まれるシンボルを認識して、認識したシンボルをデコードするシンボルの認識処理を実行する。
通信部16は、通信ケーブル3を介して、PC2と通信する装置である。通信部16は、例えば、認識処理部15から出力されるデコードされた情報をPC2に対して送信する。通信部16は、例えば、NIC等の通信装置によって実現される。通信部16の通信プロトコルは、例えば、TCP/IPまたはUDP/IP等よって実現される。
光源17は、後述するように、発光した光線が、センサ面(検出面)がレンズユニット11における光軸に垂直な面(主面)に対してチルトした(傾いた)撮像素子12によりレンズユニット11の光軸方向に延伸した合焦面に沿うように設置された光源である。光源17は、LED(Light Emitting Diode)またはレーザ等の発光装置である。
なお、認識処理部15は、撮像装置1に含まれる構成としているが、撮像装置1に接続される外部機器の機能によって実現されるものとしてもよい。例えば、認識処理部15は、撮像装置1ではなくPC2において実現されるものとしてもよい。
また、画像処理部14および認識処理部15は、ソフトウェアであるプログラムが実行されることによって実現されてもよく、または、ASICまたはFPGA(Field−Programmable Gate Array)等のハードウェア回路によって実現されてもよい。
<シャインプルーフの原理について>
図4は、被写体の距離によって焦点が合うか否かの説明をする図である。図5は、シャインプルーフの原理を説明する図である。図6は、シャインプルーフの原理によりレンズユニットの光軸方向に延伸した合焦面を説明する図である。図7は、撮像画像の位置によって焦点が合うか否かを説明する図である。図4〜7を参照しながら、本実施の形態に係る撮像装置1が採用するシャインプルーフの原理について説明する。
図4に示すように、通常、撮像装置のレンズユニット11における光軸に垂直な主面と、撮像素子12のセンサ面とは略平行に配置されている。光学系であるレンズユニット11には、所定の被写界深度があり、被写界深度に含まれる焦点以外の点において、被写体は焦点が合わない(合焦しない)。ここで、被写界深度とは、撮像装置の光学系からある距離にある被写体に対して、焦点が合っていると許容できる光学系の光軸方向の距離範囲のことをいう。図4に示す3つの被写体4a〜4cのうち、焦点が合う合焦位置にあるのは、被写体4bのみで、被写体4a、4cは合焦位置にない。したがって、撮像素子12で結像されるのは、被写体4bのみであり、被写体4a、被写体4cは、撮像素子12で結像しない。
そのため、一般的には、このような広い範囲の合焦位置(フォーカス位置)をサポートするために、機械的にレンズの位置を変更するオートフォーカス等の方法が用いられている。しかしながら、オートフォーカス機構はサイズが大きくなる上に高価であり、かつ合焦させるために、レンズを移動させて合焦位置を探索する必要があり、被写体に焦点の合った画像を得るまでに時間がかかるという問題点がある。
これを解決する方法の一例として、図5に示すように、撮像素子12のセンサ面を、レンズユニット11の主面に対して傾けたシャインプルーフの原理を用いる方法がある。シャインプルーフの原理とは、図5に示すように、撮像素子12のセンサ面と、レンズユニット11の主面とが1つの直線で交わる場合、合焦する被写体側の面(以下、合焦面50と称する)も同じ直線で交わるという原理である。すなわち、撮像素子12の位置によって被写体側の合焦位置が変わることになり、被写体との距離に応じた適切な場所、すなわち、合焦面50上に被写体を配置することによって、レンズユニット11の光軸方向の広い範囲において合焦した撮像画像を得ることができる。
このようにシャインプルーフの原理を用い、撮像素子12のセンサ面を、レンズユニット11の主面に対して傾けることによって、合焦位置がレンズユニット11の光軸方向に延伸した合焦面50を形成することができる。この場合、図6に示すように、被写体4a〜4cを合焦面50上に配置した状態で、撮像素子12により撮像すると、被写体4a〜4cのいずれにも焦点が合った撮像画像を得ることができる。
しかしながら、図6に示すシャインプルーフの原理を用いて合焦位置をレンズユニット11の光軸方向に延伸させる場合、被写体との距離に応じて、撮像画像上での合焦した状態で表示される適切な撮像位置が変わる。したがって、ユーザは、被写体の距離に応じて、適切な撮像位置となるように撮像装置1を移動させる必要があり、容易に被写体の撮像位置を決定することができないという問題点が出てくる。例えば、図7に示すように、撮像画像100に含まれている大きさおよび形状が全て同一の被写体4a〜4dのうち、被写体4a〜4cは、合焦面50上に配置されているため、焦点が合った状態で撮像されている。この場合、被写体4aは、合焦面50上の撮像装置1に近い位置に配置されており、被写体4cは、合焦面50上の撮像装置1から遠い位置に配置されており、被写体4bは、被写体4aと被写体4cとの中間に位置する合焦面50上の位置に配置されている。しかし、被写体4dは、撮像装置1からの距離が被写体4aと同じ距離に配置されているが、合焦面50上に配置されていないために、焦点が合っていない状態で撮像されている。したがって、被写体4dを焦点が合った状態で撮像するために、ユーザは、被写体4dの撮像位置が、図7における被写体4aの撮像位置となるように撮像装置1を移動させなければならないが、これは容易にできることではない。以下、図8を参照しながら、この問題を解決するための本実施の形態のレンズユニット11周辺の要部構成について説明する。
<レンズユニット周辺の要部構成>
図8は、第1の実施の形態の撮像装置における光学系周辺の要部構成の一例を示す図である。図8を参照しながら、撮像装置1のレンズユニット11周辺の要部構成について説明する。
図8に示すように、撮像素子12は、センサ面がレンズユニット11の主面に対して傾けて配置されており、シャインプルーフの原理によって、合焦位置がレンズユニット11の光軸方向に延伸した合焦面50が形成されている。すなわち、合焦面50は、レンズユニット11の光学特性、およびレンズユニット11と撮像素子12のセンサ面(結像面)との位置関係に基づいて、形成される。また、光源17は、撮像素子12のセンサ面と、レンズユニット11の主面とが交わる直線の位置に配置されている。そして、光源17は、照射する光線60の方向をレンズユニット11の画角の中心軸方向からずらし、光線60が合焦面50上に位置するように照射する。光線60は、被写体に照射した場合に、円形のポインタが形成されるものとしてもよいし、矩形状のポインタが形成されるものとしてもよい。
以上のように光源17を配置することによって、光源17が照射する光線60は、合焦面50上に配置された被写体を照射することになる。図8に示すように、被写体4a〜4cは、いずれも、合焦面50上に配置されているので、光線60によって照射されることになる。逆に、被写体が光線60により照射されるように、被写体または撮像装置1を移動させることによって、被写体を焦点が合う撮像位置に配置させることができる。すなわち、ユーザは、光源17が照射する光線60が示す位置に被写体(例えば、二次元コード等)が配置されるように、撮像装置1を移動させることによって、容易に被写体の距離に応じた適切な撮像位置とすることができ、被写体の焦点が合った撮像画像を得ることができる。
なお、光源17が照射する光線60は、被写体における撮像装置1側の面がレンズユニット11の主面と略平行等に配置されている場合、被写体の面に対して斜めから照射することになる。したがって、被写体に照射された光線60のポインタは、歪んだ形状を呈することになる。よって、光源17は、元から断面形状が歪んだ状態の光線60を照射し、被写体の面に対して斜めから照射されたときに正規の形状(円形、矩形等)となるようにしてもよい。
また、通常、撮像素子12におけるセンサ面は、長方形の形状となっている。例えば、撮像素子12が、640×480のマトリックス状に配置された検出素子で構成された場合等である。この場合、撮像素子12を、センサ面の長手方向が、レンズユニット11の主面に対して傾けて配置させることが望ましい。これによって、合焦面50をレンズユニット11の光軸方向により大きく延伸させることができる。
また、光源17は、撮像素子12のセンサ面と、レンズユニット11の主面とが交わる直線の位置に配置されているものとしたが、これに限定されるものではない。すなわち、光源17から照射される光線60が、合焦面50上に位置するように照射されるものとすれば、光源17はどの位置に配置されてもよい。
また、図8に示すように、光源17はビーム状の光線60を照射するように示されているが、これに限定されるものではなく、例えば、放射状に広がりを有する光線であってもよい。
ここで、上述のように、シャインプルーフの原理を用いて、合焦位置がレンズユニット11の光軸方向に延伸した合焦面50を形成させたとしても、上述のようにレンズユニット11が有する所定の被写界深度の制限により、レンズユニット11の主面に平行な方向については焦点が合う範囲が狭い。したがって、レンズユニット11の主面に平行な方向において焦点が合う範囲を超える大きさの被写体については、被写体の全体に対して焦点を合わせて撮像することができないことになる。
ここで、合焦面50上の各位置において、上述のレンズユニット11の光軸方向の被写界深度の拡張をすることができれば、焦点が合う領域が広くなり、大きな被写体の全体に対して焦点の合った状態で撮像することが可能となる。ここで、被写界深度拡張(EDoF:Extended Depth of Field)の概略について説明する。レンズユニット11に含まれるレンズおよび位相板11aは、上述のように、撮像素子12に入射される被写体の光に収差を与えて点像分布関数を付加する働きをする。例えば、レンズは、収差として、撮像素子12に入射される被写体の光に球面収差を与える。レンズユニット11は、収差によって撮像素子12で撮像する画像がぼけた状態にする代わりに広い被写界深度でそのぼけが一定となるようにする。したがって、レンズユニット11によってぼけた画像は、所定のMTF(Modulation Transfer Function)の値が得られるように補正する必要がある。MTFは、被写体の持つコントラストを、どれくらい忠実に再現できるかを数値化した値、すなわちコントラストの再現率を示す。このような、レンズユニット11によってぼけた画像に対して、ぼけを補正する撮像装置として、点像分布関数の逆変換処理を施すことによって、MTFを向上させ、高解像度の画像に補正することができる。逆変換処理は、光学系によってぼけた画像を形成する各画素に対して、逆変換フィルタによるフィルタ処理を施すことにより画像のぼけ(収差)を復元することによって実現される。以下、画像処理部14のブロック構成の詳細を説明すると共に、逆変換処理による被写界深度拡張の方法の一例について説明する。
<画像処理部の構成および動作>
図9は、第1の実施の形態の撮像装置の画像処理部のブロック構成の一例を示す図である。図10は、第1の実施の形態の撮像装置の撮像素子により撮像される撮像画像の一例を示す図である。図9を参照しながら、本実施の形態の撮像装置1の画像処理部14のブロック構成について説明する。
撮像素子12は、上述のように、レンズユニット11に入射する被写体4(図1参照)からの光を電気信号に変換することにより被写体4を撮像し、画像を生成する固体撮像素子である。以下、撮像素子12は、VGA(Video Graphics Array)の画像を形成して出力するものとして説明する。具体的には、撮像素子12は、図10に示すように、例えば、X方向に640個、Y方向に480個の検出素子によって、640×480のマトリックス状に配列された画素で構成される画像である撮像画像101を撮像する。
なお、撮像素子12が撮像する画像の大きさは640×480のVGAの画像であるものとしたが、これに限定されるものではなく、異なる大きさの画像であってもよい。
図9に示すように、本実施の形態の画像処理部14は、画像バッファ部141と、フィルタ処理部143(逆変換手段)とを備えている。
画像バッファ部141は、ラインバッファおよびレジスタ等を備え、撮像素子12から出力される画素を順に入力して、撮像画像をバッファリングする処理部である。
フィルタ処理部143は、画像バッファ部141から出力される画素に対して、フィルタ回路によって、所定のフィルタ処理(逆変換処理)を行う。本実施の形態においては、フィルタ処理に使用するフィルタとして、位相板11aの作用によって点像分布関数を与えられたぼけた画像に対して、ぼけ(収差)を補正(復元)する逆変換処理をするための逆変換フィルタを例に説明する。フィルタ処理部143の具体的な動作については、図12〜14において後述する。
<<撮像素子12から出力される画素が画像バッファ部141に入力される動作>>
図11は、撮像素子から出力される画素が画像バッファ部に入力される動作を示すタイミングチャートである。図11を参照しながら、撮像素子12によって検出された画像の出力動作について説明する。
撮像素子12は、検出した画素をX方向の1水平ラインずつ走査しながら、その1水平ラインに含まれる画素を出力する。具体的には、撮像素子12は、Y方向の1番目の水平ラインに含まれる画素を、X方向の1番目の画素から640番目の画素まで順に出力する。撮像素子12は、上記の動作を、Y方向の480番目までの水平ラインに含まれる画素の出力をそれぞれ行う。なお、撮像素子12によって検出される画像の640×480の各画素について、X方向のX番目およびY方向のY番目の画素を(X,Y)の画素というものとする。
上記の動作を図11に示すタイミングチャートに基づいて説明する。図11に示すように、撮像素子12は、有効フレーム信号がオン状態のとき、1フレーム分、すなわち1画像分の画素を出力する。撮像素子12において、有効フレーム信号がオン状態になってからフレーム開始期間Aを経て、Y方向の1番目の水平ラインの画素の出力許可を示す有効ライン信号L1がオン状態になる。撮像素子12は、有効ライン信号L1がオン状態になっている有効データ期間Tの間に、Y方向の1番目の水平ラインを走査し、その水平ラインに含まれるX方向の1〜640番目の画素((1,1)〜(640,1)の画素)を順に出力する。撮像素子12によってY方向の1番目の水平ラインの画素が出力された後、有効ライン信号L1がオフ状態になる。
撮像素子12において、有効ライン信号L1がオフ状態になってから水平ブランキング期間Bを経て、Y方向の2番目の水平ラインの画素の出力許可を示す有効ライン信号L2がオン状態になる。撮像素子12は、有効ライン信号L2がオン状態になっている有効データ期間Tの間に、Y方向の2番目の水平ラインを走査し、その水平ラインに含まれるX方向の1〜640番目の画素((1,2)〜(640,2)の画素)を順に出力する。撮像素子12によってY方向の2番目の水平ラインの画素が出力された後、有効ライン信号L2がオフ状態になる。
撮像素子12は、以上の動作について、有効ライン信号L480がオン状態になっている有効データ期間Tの間に、Y方向の480番目の水平ラインに含まれるX方向の1〜640番目の画素を出力するまで行う。撮像素子12において、有効ライン信号L480がオフ状態になってからフレーム終了期間Cを経て、有効フレーム信号がオフ状態になる。以上の動作によって、撮像素子12による1フレーム分の画素の出力が終了する。また、撮像素子12において、有効フレーム信号がオフ状態になってから垂直ブランキング期間Dを経て、再び有効フレーム信号がオン状態になり、次の1フレーム分の画素の出力が開始される。
<<フィルタ処理部143の動作>>
図12は、逆変換フィルタの構成の一例を示す図である。図13は、画像を逆変換フィルタによってフィルタ処理することを説明する図である。図14は、画像において逆変換フィルタのフィルタ処理の対象となる対象部分画像をスキャンする動作を説明する図である。図12〜14を参照しながら、画像処理部14のフィルタ処理部143の逆変換処理について説明する。
逆変換処理に使用されるフィルタは、図12に示すように、フィルタ係数a11〜a15、a21〜a25、a31〜a35、a41〜a45およびa51〜a55によって構成される、例えばタップ数が5×5の線形フィルタである逆変換フィルタ121である。逆変換フィルタ121による逆変換処理の対象となる画像の部分を、図13に示す対象部分画像131であるものとする。対象部分画像131は、画素A11〜A15、A21〜A25、A31〜A35、A41〜A45およびA51〜A55によって構成された5×5の部分画像である。
フィルタ処理部143は、図13に示すように、対象部分画像131に対して逆変換フィルタ121によってコンボリューション演算した値、すなわち、図13の式(1)で表される演算値と同一である。コンボリューション演算の演算値は、対象部分画像131の中央に位置する画素である中央データに対して逆変換処理を実行した値となる。すなわち、コンボリューションの演算値は、逆変換処理後の画像において、逆変換処理前の画像の中央データに相当する位置の画素となる。
次に、フィルタ処理部143の逆変換処理について、図14を参照しながら、画像105においてX方向の水平ラインを走査しながら逆変換処理をする動作の概略を説明する。図14(a)は、フィルタ処理部143が、画像105における(1,1)の画素に対して逆変換フィルタ121によって逆変換処理をする状態を示している。図14(a)に示すように、(1,1)の画素を中央データ135aとしてコンボリューション演算するためには、(1,1)の画素を中央データとする対象部分画像131aと、画像105とが重複している部分の画素が必要になる。すなわち、対象部分画像131aのうち、図13に示す対象部分画像131の画素A33〜A35、A43〜A45およびA53〜A55に相当する画素が必要である。そして、対象部分画像131aにおいて、画像105と重複していない部分の画素は「0」として取り扱うものとする。
以上の状態において、フィルタ処理部143は、図13に示したコンボリューション演算と同様に、対象部分画像131aに対して逆変換フィルタ121によってコンボリューション演算を行う。フィルタ処理部143は、画像105の対象部分画像131aの中央データ135aである(1,1)の画素に対してコンボリューション演算した値を、逆変換処理後の画像の(1,1)の画素として出力する。
次に、フィルタ処理部143は、図14(b)に示すように、コンボリューション演算の対象となる画素をX方向にひとつシフトし、対象部分画像131bの中央データ135bである(2,1)の画素に対して逆変換処理をする。そして、フィルタ処理部143は、X方向の水平ラインをシフトしながらコンボリューション演算を繰り返し、図14(c)に示すように、X方向の水平ラインの最後の画素である(640,1)の画素に対して逆変換処理をする。(640,1)の画素は、図14(c)に示すように、対象部分画像131cの中央データ135cである。
以上のように、フィルタ処理部143は、X方向の水平ラインをシフトしながらコンボリューション演算を繰り返し、水平ラインの最後の画素に対する逆変換処理が終了すると、Y方向の次の水平ラインに対して同様に逆変換処理を行う。
図14(d)〜14(f)は、フィルタ処理部143が、画像105におけるY方向の4番目の水平ラインの画素に対して逆変換処理を行う状態を示している。図14(d)は、フィルタ処理部143が、画像105における(1,4)の画素に対して逆変換フィルタ121によって逆変換処理をする状態を示している。図14(d)に示すように、(1,4)の画素を中央データ135dとしてコンボリューション演算するためには、(1,4)の画素を中央データとする対象部分画像131dと、画像105とが重複している部分の画素が必要になる。そして、対象部分画像131dにおいて、画像105と重複していない部分の画素は、上述と同様に「0」として取り扱うものとする。
図14(e)は、フィルタ処理部143が、画像105における(5,4)の画素に対して逆変換フィルタ121によって逆変換処理をする状態を示している。図14(e)に示すように、(5,4)の画素を中央データ135eとする対象部分画像131eは全体が画像105と重複しているので、フィルタ処理部143は、対象部分画像131eに含まれる画素をすべて利用した逆変換処理が可能となる。
そして、フィルタ処理部143は、X方向の水平ラインをシフトしながらコンボリューション演算を繰り返し、図14(f)に示すように、X方向の水平ラインの最後の画素である(640,4)の画素に対して逆変換処理をする。(640,4)の画素は、図14(f)に示すように、対象部分画像131fの中央データ135fである。
以上のように、フィルタ処理部143は、画像105を構成する各画素に対して逆変換フィルタ121によるコンボリューション演算を行って逆変換処理をするので、位相板11aによってぼけた画像を復元し、画像の解像度を向上させることができる。
なお、上述のように、画像105における逆変換フィルタ121によるコンボリューション演算の対象となる対象部分画像について、画像105と重複していない部分の画素は「0」としたが、これに限定されるものではない。例えば、対象部分画像の画像105と重複していない部分の画素は、対象部分画像の中央データを基準にして、対象部分画像の画像105と重複している部分の画素を折り返した場合の画素を用いるものとしてもよい。
具体的に、図14(a)の対象部分画像131aを例にして説明する。対象部分画像131aのそれぞれの画素の名称を、仮に図13に示す対象部分画像131の画素の名称と同様とする。この場合、対象部分画像131aの画像105と重複していない部分の画素は、画素A11〜A15、A21〜A25、A31、A32、A41、A42、A51およびA52である。また、対象部分画像131aの画像105と重複している部分の画素は、画素A33〜A35、A43〜A45およびA53〜A55である。
このとき、画素A31、A32、A41、A42、A51およびA52は、中央データを基準にして、対象部分画像131aの画像105と重複している部分の画素を折り返し、それぞれ画素A35、A34、A45、A44、A55およびA54の値を用いる。また、画素A13〜A15およびA23〜A25は、中央データを基準にして、対象部分画像131aの画像105と重複している部分の画素を折り返し、それぞれ画素A53〜A55およびA43〜A45の値を用いる。そして、画素A11、A12、A21およびA22は、中央データを基準にして、対象部分画像131aの画像105と重複している部分の画素のうち点対象の位置関係にある画素、すなわち、それぞれA55、A54、A45およびA44の値を用いる。以上のような方法によって、対象部分画像の各画素を決定するものとしてもよい。
また、図13に示すように、フィルタ処理部143が有する逆変換フィルタ121はタップ数が5×5のフィルタとしているが、これに限定されるものではない。すなわち、フィルタのタップ数は3×3、15×15または21×21等異なるタップ数としてもよい。この場合、フィルタのタップ数に合わせて、対象部分画像の大きさも一致させる必要がある。また、フィルタによる逆変換処理の対象となる中央データが存在するように、フィルタのタップ数は奇数である必要がある。
また、逆変換フィルタは、例えば15×15以上のタップ数であることが好ましい。逆変換フィルタは、タップ数が多いほど、位相板によって被写界深度が拡張されてぼけが加えられた画像に対して、ぼけを補正できる光軸上の幅を大きくすることができる。したがって、タップ数が多い逆変換フィルタを用いることによって、位相板およびレンズの被写界深度についての設計のバリエーションを増やすことができる。
<逆変換フィルタの周波数特性の導出>
次に、上述の逆変換フィルタ(例えば、図13に示す逆変換フィルタ121)の周波数特性を導出する方法について説明する。合焦面50上のフォーカス位置において光学系であるレンズユニット11によって広がったスポットを一点に集まるように復元する逆変換処理に使用される逆変換フィルタの周波数特性の導出方法について説明する。上述の周波数特性を実現するフィルタとしては、二次元の線形フィルタかつFIR(Finite Impulse Response)フィルタが好適である。
まず、撮像素子12によって撮像された画像への光学系による影響のモデルを以下の式(2)に示す二次元のコンボリューション演算(畳み込み演算)の式によって表す。
ここで、imagecapturedは光学系を通って検出された二次元の撮像画像の画素であり、imageidealは被写体4そのものを示す理想画像の画素であり、hは光学系のPSFを示す。
以下、画像処理系(撮像素子12および画像処理部14)に加わるノイズの影響を考慮して、逆変換処理後の画像の各画素と、理想画像の各画素との誤差についての平均二乗誤差を最小とする逆変換フィルタの周波数特性の導出を考える。平均二乗誤差は、以下の式(3)によって表される。
ここで、E[]は期待値(平均値)を示し、nは画像上の位置を示し、imageprocessed(n)は、imagecaptured(n)に対して逆変換処理をした画素を示す。なお、imagecapturedは、ノイズが含まれていることを考慮する。
波形x(n)が持つ全エネルギーのnの全領域についての総和と、波形x(n)のエネルギーのフーリエ変換X(ω)の全周波数成分についての総和とが等しいとするパーセバルの定理より、式(3)は、周波数領域における平均二乗誤差として以下の式(4)で表される。
ここで、IMAGEideal(ω)はimageideal(n)の周波数特性を示し、IMAGEprocessed(ω)はimageprocessed(n)の周波数特性を示し、ωは空間周波数を示す。
ここで、逆変換フィルタの周波数特性をR(ω)とすると、以下の式(5)の最小値を与える周波数特性R(ω)が最適の逆変換フィルタとなる。
ここで、IMAGEcaptured(ω)は、imagecaptured(n)の周波数特性である。
式(5)において、IMAGEideal(ω)=S(ω)、およびIMAGEcaptured(ω)=X(ω)とし、式(5)の最小値を求めるため、式(5)をRによって微分すると、下記の式(6)が得られる。
ここで、E[|X(ω)|]は、ノイズを含んだ撮像画像のパワースペクトルの平均値であり、E[S(ω)・X(ω)]は、ノイズを含んだ撮像画像と理想画像との相互パワースペクトルの平均値である。
式(5)の最小値を求めるため式(6)の最右辺を0とすると下記の式(7)が得られる。
式(7)から下記の式(8)が得られる。
この式(8)に示す周波数特性R(ω)に基づく逆変換フィルタが、上述の式(3)に示す平均二乗誤差を最小とする最適のフィルタとなる。
ここで、ノイズの周波数特性をW(ω)とし、光学系のPSFであるhの周波数特性をH(ω)として、上述の式(2)を周波数領域で示すと下記の式(9)で示される。
ノイズの周波数特性W(ω)と、周波数特性S(ω)とが無相関であるとすると、E[S(ω)・W(ω)]=0であるので、上述の式(8)の右辺の分子に、式(9)を代入すると、下記の式(10)が得られる。
同じくノイズの周波数特性W(ω)と、周波数特性S(ω)とが無相関であるとすると、E[W(ω)・S(ω)]=0およびE[S(ω)・W(ω)]=0であるので、上述の式(8)の右辺の分母に、式(9)を代入すると、下記の式(11)が得られる。
上述の式(8)、(10)および(11)から、下記の式(12)に示す周波数特性R(ω)が得られる。
この式(12)に示す周波数特性R(ω)に基づく逆変換フィルタが、画像処理系のノイズを考慮した場合の上述の式(3)に示す平均二乗誤差を最小とする最適なフィルタとなる。ここで、E[|S(ω)|]は理想画像のパワースペクトルの平均値であり、E[|W(ω)|]はノイズのパワースペクトルの平均値であり、|H(ω)|は光学系の周波数特性のパワースペクトルである。
また、上述の式(12)に示す周波数特性R(ω)を適用した場合において、逆変換処理後の画像の各画素と、理想画像の各画素との二乗誤差についての周波数領域における積分を取ると、下記の式(13)が得られる。
上記の式(13)の演算においては、上述のように、ノイズの周波数特性W(ω)と、周波数特性S(ω)とが無相関であることを利用している式(13)の最右辺の第1項は、逆変換処理後の画像の復元しきれなかった誤差量を示している。第2項は、ノイズによる誤差量を示している。
式(13)の積分値が最小となるように、光学系の周波数特性H(ω)を設計することによって、上述の式(5)に示す周波数領域においての平均二乗誤差が最小となる光学系および逆変換フィルタの組み合わせを得ることができる。また、パーセバルの定理より、上述の式(3)に示す実空間における平均二乗誤差が最小となる光学系および逆変換フィルタの組み合わせを得ることができる。したがって、式(12)に示す周波数特性R(ω)に基づいて、例えば、画像処理部14のフィルタ処理部143が有する逆変換フィルタ121を導出するものとすればよい。
以上のように、合焦面50上のフォーカス位置について、式(12)に示す周波数特性R(ω)から最適な逆変換フィルタを求めることができる。これによって、合焦面50上のフォーカス位置においてより広い範囲にまで被写界深度を拡張することができる。
図15は、第1の実施の形態の画像処理部のフィルタ処理部の逆変換フィルタを決定するための周波数特性を演算する流れを示すフローチャートである。図15を参照しながら、式(12)に示す周波数特性Rを具体的に演算する流れについて説明する。
<<ステップS1>>
まず、レンズユニット11における面曲率および面間隔等、ならびに位相板11aの特性等の光学系パラメータに基づいて、レンズユニット11に対する光線追跡演算によりPSFを導出する。ここで、複数のデフォーカス位置における光学系パラメータによって光線追跡演算を行い、PSFを導出する。そして、ステップS2へ進む。
<<ステップS2>>
ステップS1で導出したPSFをフーリエ変換することによって、光学系の周波数特性Hを導出する。そして、ステップS5へ進む。
<<ステップS3>>
画像処理系(撮像素子12および画像処理部14)に加わるノイズ特性を測定する。そして、ノイズ特性をフーリエ変換することによって、ノイズの周波数特性Wを導出する。なお、ノイズ特性の測定が困難である場合は、空間周波数によらず、撮像素子12のS/N比の値を定数としてノイズの周波数特性Wを導出するものとしてもよい。そして、ステップS5へ進む。
<<ステップS4>>
撮像装置1により、自然風景またはシンボル等を様々な大きさおよび撮影条件によって撮像された画像を理想画像とする。理想画像を構成する画素の値をフーリエ変換し、空間周波数ωについての平均値を被写体の周波数特性Sとして導出する。なお、被写体の周波数特性Sは、被写体から出る光に収差を与えない光学系を通過した光に基づく撮像画像の画素の周波数特性としてもよい。また、被写体の周波数特性Sは、定数としてもよい。そして、ステップS5へ進む。
<<ステップS5>>
ステップS2で導出した光学系の周波数特性H、ステップS3で導出したノイズの周波数特性W、およびステップS4で導出した被写体の周波数特性Sから、上述の式(12)を使用して、逆変換フィルタの周波数特性Rを演算する。
<MTFの空間周波数特性>
図16は、光学系を通過した光による撮像画像の空間周波数特性を示す図である。図17は、逆変換処理が行われた画像の空間周波数特性を示す図である。図16および17を参照しながら、画像の空間周波数特性について説明する。
まず、図16を参照しながら、レンズユニット11(光学系)を通過した光が撮像素子12によって撮像された画像についての空間周波数ωに対するMTFについて説明する。図16に示される目標空間周波数特性201は、被写体の撮像画像のコントラストが完全に再現された場合のMTFの空間周波数ωについての特性(MTF=1)を示す。
上述したように、レンズユニット11を通過した光は、収差を与えるレンズおよび位相板11aの作用によって点像分布関数(PSF)が付加される。図16における空間周波数特性202は、レンズユニット11を通過した光に基づいて、撮像素子12によりフォーカス位置において撮像された撮像画像のMTFの空間周波数ωについての特性を示す。図16における空間周波数特性203は、レンズユニット11を通過した光に基づいて撮像素子12によってあるデフォーカス位置において撮像された撮像画像のMTFの空間周波数ωについての特性を示す。レンズユニット11を通過した光はPSFが付加されているので、フォーカス位置における空間周波数特性202、およびデフォーカス位置における空間周波数特性203は、図16に示すように、何れも目標空間周波数特性201よりも低い値となる。
次に、図17を参照しながら、フィルタ処理部143が有する逆変換フィルタが、上述の式(12)に示す周波数特性Rによって求められた場合を考える。この場合において、撮像素子12によって撮像された画像がフィルタ処理部143によって逆変換処理が行われた画像についての空間周波数ωに対するMTFについて説明する。
図17における空間周波数特性202aは、撮像素子12によりフォーカス位置において撮像された撮像画像について、フィルタ処理部143により逆変換処理された画像のMTFの空間周波数ωについての特性を示す。図17における空間周波数特性203aは、撮像素子12によりあるデフォーカス位置において撮像された撮像画像について、フィルタ処理部143により逆変換処理された画像のMTFの空間周波数ωについての特性を示す。上述のように、式(12)は、合焦面50上のフォーカス位置において、レンズユニット11によってPSFが付加された画像を復元する逆変換フィルタの周波数特性Rを示すので、空間周波数特性202aは、MTF=1となり、目標空間周波数特性201と一致する。しかし、式(12)に示す周波数特性Rから導出された逆変換フィルタは、フォーカス位置におけるスポットとは形状の異なるデフォーカス位置には対応していないので、空間周波数特性203aのMTFは、空間周波数特性202aのMTFよりも低くなる。
このように、フィルタ処理部143は、式(12)に示す周波数特性R(ω)に基づいて求められた逆変換フィルタによる逆変換処理によって、フォーカス位置を含む所定の位置範囲において、レンズユニット11によってPSFが付加された画像を復元することができる。しがたって、合焦面50上のフォーカス位置においてより広い範囲にまで被写界深度を拡張することができる。
<合焦領域の形成>
図18は、合焦面の各位置において被写界深度が拡張された場合に形成される合焦領域を説明する図である。図19は、撮像素子上でピントの合う領域が拡大されることを説明する図である。図18および19を参照しながら、合焦面50の各位置において被写界深度が拡張されることによって形成される合焦領域51について説明する。
上述のように、フィルタ処理部143が、上述の式(12)に示す周波数特性R(ω)に基づく逆変換フィルタによる逆変換処理を実行することによって、図18(a)に示すように、合焦面50の各位置において、矢印の方向(レンズユニット11の光軸方向)に被写界深度が拡張する。したがって、逆変換処理をしない場合、被写体が合焦面50上に位置しないと焦点が合った状態で撮像されないのに対して、上述の逆変換処理を実行することによって、焦点が合う領域がレンズユニット11の光軸方向に拡張され、合焦領域51が形成される。すなわち、被写体がこの合焦領域51内に含まれていれば、被写体の全体に対して焦点が合った状態の画像を得ることが可能となる。例えば、図18(b)に示すように、様々な角度で配置された被写体4e〜4gは、いずれも全体が合焦領域51に含まれているので、全体に対して焦点が合った状態で撮像されることができる。この場合、光源17から照射される光線60は、少なくとも合焦領域51内に含まれるように照射すればよい。
また、例えば、上述の図8に示す合焦面50上の被写体4cが配置された位置(合焦面50の奥側)における合焦範囲を、撮像素子12のセンサ面において考えると、フィルタ処理部143によって逆変換処理がされない場合、図19(a)に示すように、合焦範囲は狭い。これに対して、フィルタ処理部143によって逆変換処理が実行される場合、図19(b)に示すように、撮像素子12のセンサ面において合焦面50の奥側に対応する合焦範囲は広くなる。
<認識処理部の動作>
認識処理部15は、撮像素子12により撮像された撮像画像に対して、フィルタ処理部143により逆変換処理が実行された画像に含まれるシンボルの認識処理を実行する。具体的には、認識処理部15は、シンボルの認識処理として、逆変換処理後の画像に含まれるシンボルを認識し、認識したシンボルをデコードする。そして、認識処理部15は、通信部16を介して、デコードした情報を外部機器(例えば、図1に示すPC2)に送信する。
上述のように、フィルタ処理部143の逆変換処理により解像度が向上した、すなわち焦点が合った被写体に含まれるシンボルに対して認識処理が実行されるので、シンボルの認識の精度を向上させることができる。
<合焦領域から外れた被写体のシンボルの認識処理について>
図20は、合焦領域から外れた被写体について説明する図である。図21は、撮像画像上において焦点が合っている被写体と合っていない被写体とを説明する図である。図22は、撮像画像の異なる領域にそれぞれ異なる逆変換フィルタを適用する例を示す図である。図20〜22を参照しながら、合焦領域51から外れた被写体のシンボルの認識処理について説明する。
上述のように、シャインプルーフの原理により、合焦位置がレンズユニット11の光軸方向に延伸した合焦面50を形成させ、上述の逆変換フィルタ121による逆変換処理が実行されることによって、合焦面50の各位置において、レンズユニット11の光軸方向に被写界深度が拡張され、図20に示す合焦領域51が形成される。図20に示すように、合焦領域51内に存在する被写体4hを撮像した撮像画像は、フィルタ処理部143による逆変換処理が実行されることによって、被写体4hに対して焦点があった画像となる。しかし、図20に示すように、例えば、合焦領域51外の手前側(レンズユニット11側)に位置する被写体4iは、フィルタ処理部143によって逆変換処理が実行されても、焦点の合わないぼけた画像となる。
図21に示すように、撮像素子12により被写体4h、4iが撮像され、フィルタ処理部143により逆変換処理された撮像画像102において、被写体4hは焦点が合っているのに対し、被写体4iは焦点が合っていないぼけた状態となる。したがって、被写体4hに含まれるシンボル(例えば、図21に示すバーコード)は、認識処理部15によるシンボルの認識処理により、シンボルとして認識され、デコードされることができる。一方、被写体4iに含まれるシンボルは、焦点が合っていないため、認識処理部15によるシンボルの認識処理により、シンボルとして認識されることができず、デコードされることもできないことになる。
そこで、本実施の形態の画像処理部14のフィルタ処理部143は、図22に示すように、撮像画像102を、被写体4hを含む第1エリア102a(図22の紙面視上側)と、被写体4iを含む第2エリア102b(図22の紙面視下側)とに区分し、それぞれの領域に対して異なるフィルタ特性の逆変換処理を実行する。すなわち、フィルタ処理部143は、第1エリア102aおよび第2エリア102bに対し、それぞれ異なる逆変換フィルタによって逆変換処理を実行する。
具体的には、撮像画像102の第1エリア102aに含まれる画素に対して逆変換処理を行うための逆変換フィルタを導出するための周波数特性Rfocusを、上述の式(12)の周波数特性Rの形式に準じた以下の式(14)により求める。
式(14)のHfocus(ω)は、合焦面50上のフォーカス位置における光学系の周波数特性であり、|Hfocus(ω)|は、フォーカス位置における光学系の周波数特性のパワースペクトルである。すなわち、周波数特性Rfocusに基づく逆変換フィルタは、合焦面50上の焦点が合っているフォーカス位置において最適化する復元フィルタである。
一方、撮像画像102の第2エリア102bに含まれる画素に対して逆変換処理を行うための逆変換フィルタを導出するための周波数特性Rdefocusを、上述の式(12)の周波数特性Rの形式に準じた以下の式(15)により求める。
式(15)のHdefocus(ω)は、合焦領域51よりも手前側(レンズユニット11側)のデフォーカス位置における光学系の周波数特性であり、|Hdefocus(ω)|は、そのデフォーカス位置における光学系の周波数特性のパワースペクトルである。すなわち、周波数特性Rdefocusに基づく逆変換フィルタは、フォーカス位置から手前側にずれたデフォーカス位置(合焦領域51よりも手前側のデフォーカス位置)において最適化する復元フィルタである。
そして、フィルタ処理部143は、第1エリア102aの画素に対しては、式(14)に示す周波数特性Rfocusに基づく逆変換フィルタにより逆変換処理を実行し、第2エリア102bの画素に対しては、式(15)に示す周波数特性Rdefocusに基づく逆変換フィルタにより逆変換処理を実行する。これによって、フィルタ処理部143は、第1エリア102aに含まれ、かつ、合焦領域51内に含まれる被写体4hについてぼけを復元して解像度を向上させると共に、第2エリア102bに含まれ、かつ、合焦領域51よりも手前側のデフォーカス位置にある被写体4iについてもぼけを復元して解像度を向上させることができる。すなわち、認識処理部15は、被写体4h、4i双方に含まれるシンボルの認識処理を実行することにより、双方のシンボルを認識することができ、デコードすることができる。
なお、レンズユニット11に対して遠距離に位置する被写体4hと、近距離に位置する被写体4iとが、同一の被写体である場合、近距離では撮像素子12上で大きく撮像されることになるため、図21に示すように、被写体4iは、被写体4hに比べて大きく撮像される。そのため、図21に示すように、被写体4iがバーコードのように一定以下の周波数成分しか含まないような被写体の場合、近距離ではごく低い周波数成分しか含まないことになる。したがって、フィルタ処理部143は、第2エリア102bにおいて、上述の式(15)の被写体のパワースペクトルである|S(ω)|を、近距離における被写体のパワースペクトル|Snear(ω)|に置換した下記の式(16)に示す周波数特性Rdefocusに基づく逆変換フィルタにより逆変換処理を実行するものとしてもよい。
式(16)のE[|Snear(ω)|]は、高周波成分を含まないパワースペクトルの平均値であるため、式(16)に示す周波数特性Rdefocusに基づく逆変換フィルタは高周波成分を抑圧する特性を有し、高周波成分のノイズの増幅を抑制することができる。
また、フィルタ処理部143は、撮像画像102の第2エリア102bに含まれる図20に示すデフォーカス位置に存在する被写体4iのぼけを復元するために、上述の式(15)に示す周波数特性Rdefocusに基づく逆変換フィルタにより逆変換処理を実行するものとしている。しかし、第2エリア102bにおいて、被写体4iが位置するデフォーカス位置についてぼけを復元することに限定されるものではない。例えば、フィルタ処理部143は、第2エリア102bにおいて、図20に示す合焦領域51よりも奥側(レンズユニット11と反対側)の領域52に位置する被写体のぼけを復元する逆変換フィルタによって逆変換処理を実行するものとしてもよい。すなわち、第2エリア102bにおいてぼけを復元するデフォーカス位置として、撮像する被写体が存在すると予想されるデフォーカス位置についてぼけを復元する逆変換フィルタにより逆変換処理が実行されるものとすればよい。
また、フィルタ処理部143は、第1エリア102aにおいてフォーカス位置についてぼけを復元する逆変換処理を実行し、第2エリア102bにおいてデフォーカス位置についてぼけを復元する逆変換処理を実行するものとしているが、これに限定されるものではない。すなわち、フィルタ処理部143は、第1エリア102aにおいてデフォーカス位置についてぼけを復元する逆変換処理を実行し、第2エリア102bにおいてフォーカス位置についてぼけを復元する逆変換処理を実行するものとしてもよい。
また、フィルタ処理部143は、撮像画像102を第1エリア102aと第2エリア102bの2つのエリアに区分するものとしたが、これに限定されるものではなく、3つ以上のエリアに区分するものとしてもよい。この場合、フィルタ処理部143は、それぞれのエリアが含む被写体のレンズユニット11との距離と対応付けられたこれらのエリアに応じた逆変換フィルタを導出して、それぞれのエリアの画素に対して逆変換処理を実行するものとすればよい。また、撮像画像102を複数のエリアに区分する場合、それぞれのエリアに適用する逆変換フィルタを、フィルタ特性が徐々に変化するように導出することが望ましい。これによって、それぞれのエリアに含まれる被写体のぼけを自然な状態で復元して解像度を向上させることができる。
<撮像装置の動作の全体の流れ>
図23は、第1の実施の形態の撮像装置の動作の一例を示すフローチャートである。図23を参照しながら、撮像装置1の全体的な動作の流れについて説明する。
<<ステップS11>>
レンズユニット11は、被写体からの光を集光し、撮像素子12に対して結像させる。この際、レンズユニット11の位相板11aは、レンズユニット11に入射する光に対して収差を与える。その結果、位相板11aは、撮像素子12に入射される光に対して点像分布関数を付加し、撮像素子12で撮像される画像がぼけた状態とする代わりに広い被写界深度でそのぼけが一定となるようにする。そして、ステップS12へ進む。
<<ステップS12>>
撮像素子12は、レンズユニット11に入射する被写体からの光を電気信号に変換することによって被写体を撮像して画像を撮像画像を生成する。そして、ステップS13へ進む。
<<ステップS13>>
画像処理部14の画像バッファ部141は、撮像素子12から入力した撮像画像をバッファリングする。画像処理部14のフィルタ処理部143は、画像バッファ部141によりバッファリングされた撮像画像を、複数のエリアに区分する。例えば、フィルタ処理部143は、図22に示すように、撮像画像102を第1エリア102aと第2エリア102bとに区分する。そして、フィルタ処理部143は、区分した複数のエリアそれぞれに対して、上述の式(5)に示す周波数領域においての平均二乗誤差を最小とするそれぞれ異なる逆変換フィルタによって逆変換処理を実行する。例えば、フィルタ処理部143は、撮像画像102において、第1エリア102aの画素に対しては、式(14)に示す周波数特性Rfocusに基づく逆変換フィルタにより逆変換処理を実行し、第2エリア102bの画素に対しては、式(15)に示す周波数特性Rdefocusに基づく逆変換フィルタにより逆変換処理を実行する。そして、ステップS14へ進む。
<<ステップS14>>
認識処理部15は、フィルタ処理部143により逆変換処理が実行された画像に対して、被写体におけるシンボルの認識処理を実行する。そして、ステップS15へ進む。
<<ステップS15>>
認識処理部15によって、画像処理部14から入力した画像に対してシンボルの認識処理が実行されることにより、シンボルが認識された場合、すなわち、シンボルの候補が発見された場合(ステップS15:Yes)、ステップS16へ進む。一方、シンボルが認識されない場合、すなわち、シンボルの候補が発見されなかった場合(ステップS15:No)、動作を終了する。
<<ステップS16>>
認識処理部15によって、認識したシンボルに対してデコード処理を実行した結果、デコードが正常に完了した場合(ステップS16:Yes)、ステップS17へ進み、デコードが正常に完了できなかった場合(ステップS16:No)、動作を終了する。
<<ステップS17>>
認識処理部15は、画像処理部14から入力した画像に対してシンボルの認識処理を実行することにより、画像に含まれるシンボルを認識して、認識したシンボルをデコードした情報を外部機器(例えば、図1に示すPC2)に送信(出力)する。
以上の流れによって、撮像装置1による被写体のシンボルの認識処理が実行される。なお、ステップS11〜S17の動作によって、シンボルの認識処理が正常に完了しなかった場合、正常に完了するまで所定回数繰り返すものとしてもよい。
以上のように、本実施の形態に係る撮像装置1は、シャインプルーフの原理に基づき、撮像素子12のセンサ面をレンズユニット11の主面に対して傾けて配置させ、合焦位置がレンズユニット11の光軸方向に延伸した合焦面50を形成させている。そして、フィルタ処理部143は、撮像画像を複数のエリアに区分し、合焦領域51内の被写体を含むエリアの画素については、式(14)に示す周波数特性Rfocusに基づく逆変換フィルタにより逆変換処理を実行し、合焦領域51外のデフォーカス位置にある被写体を含むエリアの画素に対しては、そのデフォーカス位置に応じた式(15)に示す周波数特性Rdefocusに基づく逆変換フィルタにより逆変換処理を実行するものとしている。これによって、フィルタ処理部143は、合焦領域51内に含まれる被写体についても、合焦領域51外のデフォーカス位置にある被写体についてもぼけを復元して解像度を向上させることができ、認識処理部15により被写体が含むシンボルを認識して、デコードすることが可能となる。
また、上述のように、本実施の形態に係る撮像装置1は、シャインプルーフの原理に基づき、撮像素子12のセンサ面をレンズユニット11の主面に対して傾けて配置させ、合焦位置がレンズユニット11の光軸方向に延伸した合焦面50を形成させている。これによって、レンズユニット11の光軸方向の広い範囲において合焦した画像を得ることができる。
また、フィルタ処理部143が、上述の式(14)および(15)に示す周波数特性Rfocusおよび周波数特性Rdefocusに基づく逆変換フィルタによる逆変換処理を実行することによって、レンズユニット11の光軸方向に被写界深度が拡張する。これによって、焦点が合う領域がレンズユニット11の光軸方向に拡張され、被写体が有するシンボルが拡張した被写界深度内に含まれていれば、所定の大きさを有するシンボルでも、シンボルの全体に対して焦点が合った状態とすることが可能となる。
また、被写界深度拡張のために、上述の式(14)および(15)に示す周波数特性Rfocusおよび周波数特性Rdefocusに基づく逆変換フィルタによる逆変換処理を例に挙げたが、被写界深度拡張の方法はこれに限定されるものではない。すなわち、異なる逆変換フィルタによる逆変換処理、または、異なるその他の処理によって被写界深度の拡張が実現されるものとしてもよい。
<第1の実施の形態の変形例>
本実施の形態の変形例に係る撮像装置について、上述の本実施の形態に係る撮像装置1と相違する点を中心に説明する。
図24は、第1の実施の形態の変形例に係る撮像装置における光学系周辺の要部構成の一例を示す図である。図24を参照しながら、本実施の形態の変形例に係る撮像装置の光学系周辺の要部構成について説明する。
本変形例に係る撮像装置は、第1の実施の形態に係る撮像装置1におけるレンズユニット11を、多焦点レンズ11c(光学系の一例)に置換した構成を有する。このような多焦点レンズ11cを用いることによって、図24に示すように、第1の実施の形態における合焦面50と同様に、合焦位置が光軸方向に延伸した合焦面50aを形成することができる。また、多焦点レンズ11cを用いることによって、撮像素子12a(撮像手段)は、センサ面が多焦点レンズ11cの主面に対して傾けて配置する必要がなく、撮像素子12aのセンサ面と、多焦点レンズ11cの主面とは平行の状態となっている。なお、平行の状態とは、厳密に平行である状態に限定するものではなく、略平行である状態を含むものとする。このような本変形例に係る撮像装置の構成を採用することによって、図24に示す合焦面50a上に存在する3つの被写体4a〜4cは、いずれも撮像素子12a上で結像する。すなわち、合焦面50aは、多焦点レンズ11cの光学特性、および多焦点レンズ11cと撮像素子12aのセンサ面(結像面)との位置関係に基づいて、形成される。そして、光源17は、照射する光線60の方向を多焦点レンズ11cの画角の中心軸方向からずらし、光線60を合焦面50a上に位置するように照射する。
以上のように、撮像装置の光学系として多焦点レンズ11cを用いることにより、合焦位置が光軸方向に延伸した合焦面50aを形成することができると共に、撮像素子12aのセンサ面を多焦点レンズ11cの主面に対して傾けて配置する必要のない構成とすることができる。したがって、撮像装置の全体のサイズをコンパクトにすることが可能となる。
(第2の実施の形態)
第2の実施の形態においては、第1の実施の形態に係る撮像装置をシンボルリーダの一例としてのコードリーダに適用した場合について説明する。したがって、第2の実施の形態のコードリーダは、第1の実施の形態に係る撮像装置の構成および動作と同様である。
<コードリーダの構成および動作>
図25は、第2の実施の形態のコードリーダの外観構成の一例を示す図である。図26は、第2の実施の形態のコードリーダの合焦面の位置および動作を説明する図である。図25および26を参照しながら、本実施の形態に係る撮像装置としてのコードリーダ1_1の構成および動作について説明する。図25のうち、図25(a)は、コードリーダ1_1の側面図を示し、図25(b)は、コードリーダ1_1の平面図を示す。
コードリーダ1_1は、バーコードまたは二次元コード等を被写体として撮像および認識処理をするハンディタイプの装置である。図25(a)に示すように、コードリーダ1_1は、ヘッド31と、取っ手32と、を備えているヘッド31は、図25(b)に示すように、被写体からの光を集光し、撮像素子12(図示せず)に対して結像させるレンズユニット11と、光線60を照射する光源17と、を備えている。取っ手32は、ユーザが把持する部分であり、情報を所定の方式により暗号化したバーコードまたは二次元コード等(シンボルの一例)を有する被写体を撮像するトリガとなる操作ボタン(図示せず)を備えている。
撮像素子12は、図示しないが、センサ面がレンズユニット11の主面に対して傾けて配置されており、シャインプルーフの原理によって、合焦位置がレンズユニット11の光軸方向に延伸した合焦面50b(図26参照)が形成されている。光源17は、図26に示すように、照射する光線60の方向をレンズユニット11の画角の中心軸方向からずらし、光線60を合焦面50b上に位置するように照射する。認識処理部15(図示せず)は、撮像素子12によって撮像されたバーコードまたは二次元コード等を含む撮像画像であって、画像処理部14により逆変換処理が実行された画像に基づいて、バーコードまたは二次元コード等の認識処理を実行する。
以上の構成によって、第1の実施の形態に係る撮像装置1と同様の効果を有し、レンズユニット11の光軸方向の広い範囲において合焦した撮像画像を得ることができるコードリーダ1_1を得ることができる。
なお、図25に示すように、コードリーダ1_1は、ハンディタイプの装置としているが、これに限定されるものではなく、固定式のコードリーダであってもよい。
1 撮像装置
1_1 コードリーダ
2 PC
3 通信ケーブル
4、4a〜4i 被写体
11 レンズユニット
11a 位相板
11b 絞り
11c 多焦点レンズ
12、12a 撮像素子
14 画像処理部
15 認識処理部
16 通信部
17 光源
21 通信部
22 操作部
23 表示部
24 記憶部
25 外部記憶装置
26 制御部
27 バス
31 ヘッド
32 取っ手
50、50a、50b 合焦面
51 合焦領域
52 領域
60 光線
100〜102 撮像画像
102a 第1エリア
102b 第2エリア
105 画像
121 逆変換フィルタ
131、131a〜131f 対象部分画像
135a〜135f 中央データ
141 画像バッファ部
143 フィルタ処理部
201 目標空間周波数特性
202、202a 空間周波数特性
203、203a 空間周波数特性
500 撮像システム
A フレーム開始期間
B 水平ブランキング期間
C フレーム終了期間
D 垂直ブランキング期間
T 有効データ期間
特開2010−152881号公報

Claims (11)

  1. 入射した光に収差を与える光学系と、
    前記光学系を通過した前記光を画素に変換して画像を撮像する撮像手段と、
    前記撮像手段により撮像された撮像画像上のエリアの位置に応じて、それぞれ異なるフィルタ特性を有する逆変換フィルタにより、前記収差によるぼけを復元する逆変換処理を実行する逆変換手段と、
    を備え、
    前記光学系および前記撮像手段は、合焦位置が前記光学系の光軸の方向に延伸した合焦面を形成するように配置された撮像装置。
  2. 前記逆変換手段は、前記光学系からの被写体の距離と対応付けられた前記エリアの位置に応じて、それぞれ異なる前記フィルタ特性を有する逆変換フィルタにより前記逆変換処理を実行する請求項1に記載の撮像装置。
  3. 前記逆変換フィルタは、前記距離に応じた前記被写体の理想画像の画素の周波数特性と、前記逆変換手段により前記逆変換処理がなされた画像の画素の周波数特性との平均二乗誤差を最小にするフィルタである請求項2に記載の撮像装置。
  4. 前記逆変換手段は、
    前記撮像画像を複数のエリアに区分し、
    前記複数のエリアのうち少なくとも一部のエリアについて、前記合焦面の位置に存在する被写体について前記ぼけを復元する逆変換フィルタにより前記逆変換処理を実行し、その他のエリアについて、前記合焦面の位置以外に存在する被写体について前記ぼけを復元する逆変換フィルタにより前記逆変換処理を実行する請求項1〜3のいずれか一項に記載の撮像装置。
  5. 前記逆変換手段は、
    前記撮像画像を複数のエリアに区分し、
    前記複数のエリアそれぞれに対して、フィルタ特性が徐々に変化する逆変換フィルタによって前記逆変換処理を実行する請求項1〜3のいずれか一項に記載の撮像装置。
  6. 前記逆変換手段により前記逆変換処理が実行された画像に基づいて、シンボルを認識する認識処理手段をさらに備えた請求項1〜5のいずれか一項に記載の撮像装置。
  7. 前記合焦面上または該合焦面の近傍の位置となるように光線を照射する光源をさらに備えた請求項1〜6のいずれか一項に記載の撮像装置。
  8. 前記合焦面は、前記撮像手段の検出面が前記光学系の主面に対して傾いて配置されたことにより形成された請求項1〜7のいずれか一項に記載の撮像装置。
  9. 前記撮像手段は、前記検出面の長手方向が前記主面に対して傾いて配置された請求項8に記載の撮像装置。
  10. 前記光学系は、多焦点レンズを含み、
    前記撮像手段の検出面は、前記光学系の前記主面に対して平行に配置された請求項1〜7のいずれか一項に記載の撮像装置。
  11. 光学系および撮像手段が、合焦位置が前記光学系の光軸の方向に延伸した合焦面を形成するように配置された撮像装置の撮像方法であって、
    前記光学系により、入射した光に収差を与える光学処理ステップと、
    前記撮像手段により、前記光学系を通過した前記光を画素に変換して画像を撮像する撮像ステップと、
    撮像した撮像画像上のエリアの位置に応じて、それぞれ異なるフィルタ特性を有する逆変換フィルタにより、前記収差によるぼけを復元する逆変換処理を実行する逆変換ステップと、
    を有する撮像方法。
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