JP2021005054A - Optical device, image capturing system, image capturing device, and control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学装置、撮像システム、撮像装置、および制御装置に関する。 The present invention relates to an optical device, an imaging system, an imaging device, and a control device.
近年、人間の視覚特性に合わせたＲＧＢの３つのバンド（波長帯域）情報に加え、可視域や非可視域のバンド情報を取得可能なカメラを用いて、被写体の組成を分析したり、人間が視認しにくい物体を高精度に弁別したりする方法が提案されている。多数の小レンズからなるレンズアレイと多数のフィルタからなるフィルタアレイを備える光学系をカメラに装着することでこのような方法を実現することが可能である。光学系をカメラに装着する構成では、カメラ内の撮像センサに対してレンズアレイが回転し、レンズアレイの各小レンズの光軸がセンサ面内でずれる場合がある。この場合、各小レンズにより形成される複製像の中心位置もずれ、生成される合成画像に色ずれが生じてしまう。特許文献１には、複製像間で共通であるＧチャンネル画像の相関を用いて位置合わせを行う方法が開示されている。 In recent years, humans have been able to analyze the composition of subjects using cameras that can acquire visible and invisible band information in addition to RGB three-band (wavelength band) information that matches human visual characteristics. A method of discriminating an object that is difficult to see with high accuracy has been proposed. Such a method can be realized by mounting an optical system including a lens array composed of a large number of small lenses and a filter array composed of a large number of filters on the camera. In the configuration in which the optical system is mounted on the camera, the lens array may rotate with respect to the image sensor in the camera, and the optical axis of each small lens of the lens array may shift in the sensor surface. In this case, the center position of the duplicated image formed by each small lens also shifts, and the generated composite image causes color shift. Patent Document 1 discloses a method of performing alignment using the correlation of G-channel images that are common between duplicate images.
しかしながら、特許文献１の方法では、光学系はモザイクセンサが搭載されたカメラに装着されており、光学系のフィルタとセンサ上のモザイクフィルタの２種類のフィルタが使用されるため、取得光量が低下し、ＳＮ比が低下してしまう。取得光量を上げるためにカメラにモノクロセンサを搭載した場合、特許文献１の方法を使用することはできない。 However, in the method of Patent Document 1, the optical system is mounted on a camera equipped with a mosaic sensor, and two types of filters, an optical system filter and a mosaic filter on the sensor, are used, so that the amount of acquired light is reduced. However, the SN ratio decreases. When a monochrome sensor is mounted on the camera in order to increase the amount of acquired light, the method of Patent Document 1 cannot be used.
本発明は、撮像センサの構成に依存することなく、複製像の中心位置のずれ量を検出可能な光学装置、撮像システム、撮像装置、および制御装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an optical device, an imaging system, an imaging device, and a control device capable of detecting the amount of deviation of the center position of a duplicate image without depending on the configuration of an imaging sensor.
本発明の一側面としての光学装置は、撮像装置に対して着脱可能な光学装置であって、該光学装置よりも物体側に配置される光学系により第１の面に形成された物体の中間像を、夫々が第２の面に再結像する複数の結像部を備えるレンズ部と、変調子とを有し、レンズ部は、第２の面に変調子の像を形成することを特徴とする。 The optical device as one aspect of the present invention is an optical device that can be attached to and detached from the image pickup device, and is intermediate between the objects formed on the first surface by the optical system arranged on the object side of the optical device. It has a lens unit and a modulator having a plurality of imaging units, each of which reimages the image on the second surface, and the lens unit forms an image of the modulator on the second surface. It is a feature.
本発明によれば、撮像センサの構成に依存することなく、複製像の中心位置のずれ量を検出可能な光学装置、撮像システム、撮像装置、および制御装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an optical device, an image pickup system, an image pickup device, and a control device capable of detecting the amount of deviation of the center position of a duplicate image without depending on the configuration of the image pickup sensor.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each figure, the same member is given the same reference number, and duplicate description is omitted.
図１は、本発明の実施形態に係る撮像システムＩＳの説明図である。図１（ａ）は、撮像システムＩＳの断面を示している。撮像システムＩＳは、被写体側から像側へ順に配置された、対物レンズＯＬ、中間光学系（光学装置）ＭＡ、およびカメラボディ（撮像装置）ＢＤを有する。 FIG. 1 is an explanatory diagram of an imaging system IS according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A shows a cross section of the imaging system IS. The imaging system IS includes an objective lens OL, an intermediate optical system (optical device) MA, and a camera body (imaging device) BD arranged in order from the subject side to the image side.
中間光学系ＭＡは、視野絞りＡＰ、拡散素子ＤＦ、コリメートレンズＣＬ、フィルタアレイＦＡ、レンズアレイ（レンズ部）ＬＡ、および遮光壁ＢＷを有し、カメラボディＢＤに着脱可能に装着される。視野絞りＡＰと拡散素子ＤＦは、対物レンズＯＬによって被写体の中間像が形成される中間像面（１次結像面、第１の面）ＩＰ１の近傍に配置されている。視野絞りＡＰは、被写体の中間像のうち、後方に伝達させる視野領域（像画角）を規定する。拡散素子ＤＦは、被写体の中間像を後方に広く拡散する。拡散素子ＤＦにより拡散された光は、コリメートレンズＣＬによって平行光に変換され、フィルタアレイＦＡおよびレンズアレイＬＡに入射する。 The intermediate optical system MA has a field diaphragm AP, a diffusion element DF, a collimating lens CL, a filter array FA, a lens array (lens portion) LA, and a light-shielding wall BW, and is detachably attached to the camera body BD. The field diaphragm AP and the diffusion element DF are arranged in the vicinity of the intermediate image plane (primary imaging plane, first plane) IP1 on which the intermediate image of the subject is formed by the objective lens OL. The field diaphragm AP defines a field area (image angle of view) to be transmitted to the rear of the intermediate image of the subject. The diffusing element DF widely diffuses the intermediate image of the subject rearward. The light diffused by the diffusing element DF is converted into parallel light by the collimating lens CL and incident on the filter array FA and the lens array LA.
本実施例では、拡散素子ＤＦを用いて後方の光学系（特にレンズアレイＬＡの入射瞳）を満たすように光束を拡散しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、表面がランダム凹凸からなる拡散スクリーンや、マイクロレンズから成るマイクロレンズアレイを用いてもよい。拡散角が大きすぎない方が、光利用効率が上がるため、屈折面と拡散面の組み合わせによって集光と拡散を兼ね合わせた素子を用いることがより好ましい。 In this embodiment, the diffuser element DF is used to diffuse the luminous flux so as to fill the rear optical system (particularly the entrance pupil of the lens array LA), but the present invention is not limited to this. For example, a diffusion screen having a surface having random irregularities or a microlens array having microlenses may be used. Since the light utilization efficiency is improved when the diffusion angle is not too large, it is more preferable to use an element that combines light collection and diffusion by combining a refraction surface and a diffusion surface.
レンズアレイＬＡに入射した光は、レンズアレイＬＡ内の複数の小レンズ（結像部）によって複数の複製像（タイル像）として結像面（２次結像面、第２の面）ＩＰ２に再結像される。カメラボディＢＤ内に設けられた撮像センサ（撮像素子）ＳＳは、結像面ＩＰ２上に配置されている。フィルタアレイＦＡは、複数の小レンズのそれぞれの光軸上に配置され、互いに異なる透過特性を有するフィルタを備える。本実施例では、フィルタは、互いに異なる波長の光を射出する。そのため、複数の複製像は互いに異なる波長成分からなり、撮像センサＳＳから読み出される複数の画像信号は互いに異なる波長成分からなる分光画像となる。各分光画像を規定位置で切り出し、被写体のＸＹ位置をそろえて重ね合わせれば、３次元分光データ（マルチバンド画像）を生成することができる。本実施例では、小レンズのそれぞれの光路間で迷光が行き交い、分光精度が低下することを抑制するために、小レンズを遮光壁ＢＷによって区分けしている。 The light incident on the lens array LA is transferred to the imaging plane (secondary imaging plane, second plane) IP2 as a plurality of duplicate images (tile images) by a plurality of small lenses (imaging portions) in the lens array LA. Reimaged. The image sensor (image sensor) SS provided in the camera body BD is arranged on the image plane IP2. The filter array FA includes filters arranged on the respective optical axes of the plurality of small lenses and having different transmission characteristics from each other. In this embodiment, the filters emit light of different wavelengths. Therefore, the plurality of duplicate images are composed of different wavelength components, and the plurality of image signals read from the image sensor SS are spectroscopic images composed of different wavelength components. Three-dimensional spectroscopic data (multi-band image) can be generated by cutting out each spectroscopic image at a predetermined position, aligning the XY positions of the subjects, and superimposing the images. In this embodiment, the small lenses are separated by a light-shielding wall BW in order to prevent stray light from passing between the optical paths of the small lenses and reducing the spectral accuracy.
フィルタアレイＦＡおよびレンズアレイＬＡの前段にコリメートレンズＣＬを配置することで、フィルタアレイＦＡに対する入射光の入射角を所定の範囲に制限することができる。特に角度依存性のあるバンドパスフィルタを使用する場合、透過波長の均一性が向上する。また、複数の小レンズに対する入射光の入射角の範囲が同程度になるため、複数の複製像は対応する小レンズの光軸を中心に形成される。このため、複数の複製像は対応する小レンズから同じ間隔で形成され、撮像センサＳＳの利用効率は向上する。 By arranging the collimating lens CL in front of the filter array FA and the lens array LA, the angle of incidence of the incident light on the filter array FA can be limited to a predetermined range. Especially when an angle-dependent bandpass filter is used, the uniformity of transmitted wavelength is improved. Further, since the range of the incident angles of the incident light with respect to the plurality of small lenses is about the same, the plurality of duplicate images are formed around the optical axes of the corresponding small lenses. Therefore, a plurality of duplicate images are formed from the corresponding small lenses at the same interval, and the utilization efficiency of the image sensor SS is improved.
図１（ｂ）は、中間像面ＩＰ１に形成された被写体の中間像（記号「Ｃ」で表されている）を正面から見た図である。図１（ｃ）は、結像面ＩＰ２に形成された複数の複製像（記号「Ｃ」で表されている）を正面から見た図である。また、図１（ａ）において、中間像面ＩＰ１、および結像面ＩＰ２上に記載された矢印はそれぞれ、中間像、および複製像のサイズおよび上下方向を示している。 FIG. 1B is a front view of an intermediate image (represented by the symbol “C”) of a subject formed on the intermediate image plane IP1. FIG. 1C is a front view of a plurality of duplicate images (represented by the symbol “C”) formed on the image plane IP2. Further, in FIG. 1A, the arrows drawn on the intermediate image plane IP1 and the image plane IP2 indicate the size and the vertical direction of the intermediate image and the duplicate image, respectively.
視野絞りＡＰで決まる中間像が撮像センサＳＳのセンサ面（撮像面）上に複製像として形成されるので、複製像のサイズは視野絞りＡＰによって決定される。撮像センサＳＳを最も効率よく利用する場合、隣接する複製像が重ならないように視野絞りＡＰの開口径や中間光学系ＭＡのレンズ設計を調整すればよい。しかしながら、遮光壁ＢＷの長さや厚みによっては、複製像の最軸外領域には急速な光線欠けが発生し、ＳＮ比の関係から実質的に画像合成に利用できる領域が視野絞りＡＰで決まる複製像のサイズよりも小さくなる場合が発生する。本実施例では、図１（ｃ）に示される、複製像のサイズより小さい有効領域ＥＲ２を分光画像として画像合成に利用する。図１（ｂ）に示されるように、有効領域ＥＲ２に再結像される拡散素子ＤＦ内の対応する領域をＥＲ１とする。なお、領域ＥＲ１が視野絞りＡＰの境界に一致し、有効領域ＥＲ２が視野絞りＡＰで決まる複製像のサイズと一致していてもよいし、隣接する複製像の有効領域ＥＲ２と密着していてもよい。 Since the intermediate image determined by the field diaphragm AP is formed as a duplicate image on the sensor surface (imaging surface) of the image sensor SS, the size of the duplicate image is determined by the field diaphragm AP. When the image sensor SS is used most efficiently, the aperture diameter of the field diaphragm AP and the lens design of the intermediate optical system MA may be adjusted so that adjacent duplicate images do not overlap. However, depending on the length and thickness of the light-shielding wall BW, rapid light beam chipping occurs in the out-of-axis region of the duplicated image, and the region that can be substantially used for image synthesis is determined by the field diaphragm AP due to the SN ratio. It may be smaller than the size of the image. In this embodiment, the effective domain ER2, which is smaller than the size of the duplicate image shown in FIG. 1C, is used as a spectroscopic image for image synthesis. As shown in FIG. 1 (b), the corresponding region in the diffusion element DF reimaged in the effective region ER2 is defined as ER1. The area ER1 may match the boundary of the field diaphragm AP, and the effective area ER2 may match the size of the duplicate image determined by the field diaphragm AP, or may be in close contact with the effective area ER2 of the adjacent duplicate image. Good.
ここで、レンズアレイＬＡを含む中間光学系ＭＡをカメラボディＢＤに装着する場合に発生する本発明の課題について確認する。中間光学系ＭＡをカメラボディＢＤに装着すると、レンズアレイＬＡと撮像センサＳＳとの相対位置は、組立精度やカメラボディＢＤのマウント接続部に設けられたマウント円の中心軸（主光軸）回りの回転方向のメカ的な遊びによりずれてしまう場合がある。 Here, the problems of the present invention that occur when the intermediate optical system MA including the lens array LA is mounted on the camera body BD will be confirmed. When the intermediate optical system MA is attached to the camera body BD, the relative position between the lens array LA and the image sensor SS is around the central axis (main optical axis) of the mount circle provided at the mount connection part of the camera body BD and the assembly accuracy. It may shift due to mechanical play in the direction of rotation.
図２は、レンズアレイＬＡが撮像センサＳＳに対して回転した場合の説明図である。図２（ａ）は、レンズアレイＬＡが撮像センサＳＳに対して回転しておらず、撮像センサＳＳを最大限利用可能な状態を示している。図２（ｂ）は、図２（ａ）の状態からレンズアレイＬＡが撮像センサＳＳに対して時計回りに回転した場合の状態を示している。この状態では、複製像は、回転後の小レンズの光軸を中心に展開されるので、元の位置から回転方向へずれた位置で結像される。以降、このような結像面ＩＰ２内での複製像の主光軸回りの回転方向のずれを“面内ずれ”と呼ぶ。なお、小レンズの光軸の位置が結像面ＩＰ２内で回転しながらずれても、複製像は回転するわけではなく、中心位置がずれるだけである。面内ずれのずれ量（回転角）は、レンズアレイＬＡと撮像センサＳＳとの間を介する部品の数や組み付け精度に大きな影響を受ける。前述したように、各分光画像の重ね合わせによってマルチバンド画像を生成することができるが、面内ずれが発生し、各分光画像の重ね合わせがずれると、合成画像が色ずれしたように生成され、画質が低下してしまう。 FIG. 2 is an explanatory diagram when the lens array LA is rotated with respect to the image pickup sensor SS. FIG. 2A shows a state in which the lens array LA is not rotating with respect to the image sensor SS and the image sensor SS can be used to the maximum extent. FIG. 2B shows a state in which the lens array LA is rotated clockwise with respect to the image pickup sensor SS from the state of FIG. 2A. In this state, the duplicated image is developed around the optical axis of the rotated small lens, so that the image is formed at a position deviated from the original position in the rotation direction. Hereinafter, such a deviation in the rotation direction around the main optical axis of the duplicated image in the image plane IP2 is referred to as an “in-plane deviation”. Even if the position of the optical axis of the small lens shifts while rotating in the image plane IP2, the duplicated image does not rotate, but only the center position shifts. The amount of in-plane deviation (rotation angle) is greatly affected by the number of parts passing between the lens array LA and the image sensor SS and the assembly accuracy. As described above, a multi-band image can be generated by superimposing each spectroscopic image, but when an in-plane shift occurs and the superimposition of each spectroscopic image is misaligned, the composite image is generated as if it were color-shifted. , The image quality deteriorates.
本発明では、中間光学系ＭＡは、レンズアレイＬＡと撮像センサＳＳとの相対位置のずれに起因する複製像の面内ずれを補正するための位置検出用マーク（変調子の像）を複数の複製像の一部に形成するための変調子を有する。本実施例では、図１（ｂ）に示されるように、マークＭＫ１１が変調子として拡散素子ＤＦ上に設けられている。これにより、中間像面ＩＰ１上で中間像にマークＭＫ１１が付加される。マークＭＫ１１は、図１（ｃ）に示されるように、複製像の一部に位置検出用マークＭＫ２１として形成される。位置検出用マークＭＫ２１の複製像における位置関係は、どの複製像でも一定である。 In the present invention, the intermediate optical system MA has a plurality of position detection marks (modulator images) for correcting in-plane deviation of the duplicated image due to the relative positional deviation between the lens array LA and the image sensor SS. It has a modulator for forming a part of a duplicate image. In this embodiment, as shown in FIG. 1B, the mark MK11 is provided on the diffusion element DF as a modulator. As a result, the mark MK11 is added to the intermediate image on the intermediate image plane IP1. As shown in FIG. 1C, the mark MK11 is formed as a position detection mark MK21 on a part of the duplicated image. The positional relationship of the position detection mark MK21 in the duplicated image is constant in all the duplicated images.
変調子は、位置検出用マークＭＫ２１が撮像センサＳＳにより検出されるための光学特性を有する。本実施例では、マークＭＫ１１は、対応するフィルタの透過波長でフィルタリングされても位置検出用マークＭＫ２１として形成される材質で構成されている。本実施例では、マークＭＫ１１は、近赤外域まで充分吸光する炭素系インクを用いて拡散素子ＤＦに印刷されている。 The modulator has optical characteristics for detecting the position detection mark MK21 by the image sensor SS. In this embodiment, the mark MK11 is made of a material that is formed as a position detection mark MK21 even if it is filtered by the transmission wavelength of the corresponding filter. In this embodiment, the mark MK11 is printed on the diffusing element DF using a carbon-based ink that sufficiently absorbs light up to the near infrared region.
また、マークＭＫ１１は、被写体とのコントラストが高ければ高いほど、位置検出用マークＭＫ２１の検出精度が上がるため、被写体の背景輝度との差が大きくなるように構成されていることが好ましい。例えば、マークＭＫ１１は、非常に暗いマークや、非常に明るいマークであればよい。また、マークＭＫ１１にＬＥＤなどで強制的に輝度を持たせてもよい。また、マークＭＫ１１を被写体輝度に応じて暗転させたり明転させたりして使用してもよい。 Further, the higher the contrast of the mark MK11 with the subject, the higher the detection accuracy of the position detection mark MK21. Therefore, it is preferable that the mark MK11 is configured so that the difference from the background brightness of the subject becomes large. For example, the mark MK11 may be a very dark mark or a very bright mark. Further, the mark MK11 may be forcibly given brightness by an LED or the like. Further, the mark MK11 may be darkened or brightened according to the brightness of the subject.
また、位置検出用マークＭＫ２１から、例えば、シリアルナンバー、寸法スケール、または日付などの情報が読み取れるようにしてもよい。例えば、位置検出用マークＭＫ２１の少なくとも一部に二次元バーコードが含まれるようにすることで、位置検出、および情報の読み取りを行うことができる。 Further, information such as a serial number, a dimension scale, or a date may be read from the position detection mark MK21. For example, by including the two-dimensional bar code in at least a part of the position detection mark MK21, the position can be detected and the information can be read.
本実施例では、変調子として、拡散素子ＤＦにマークＭＫ１１が印刷されているが、本発明はこれに限定されない。変調子は、中間像面ＩＰ１の近傍に設けられていればよく、例えば、中間像面ＩＰ１の被写体側に配置された視野絞りＡＰの内側に設けられた、複製像の一部に位置検出用マークとして表示される構造物であってもよい。中間像面ＩＰ１が中空である場合、変調子は視野絞りＡＰの縁近辺に設けられた突起や切抜きなどからなる記号などであってもよい。変調子の配置に関しては、少なくとも複製像内に計算機が検出可能な位置検出用マークとして像が現れれば実施可能であるので、中間像面ＩＰ１位置に一致していなくともよい。変調子が中間像面ＩＰ１位置から光軸方向に離れる場合は、光学的なデフォーカスボケを考慮した形状にしておけば検出率を上げることができる。例えばデフォーカスによって位置検出用マークの像が鮮明になるようなホログラフィの原理を用いたような素子で変調子を構成してもよい。 In this embodiment, the mark MK11 is printed on the diffusion element DF as a modulator, but the present invention is not limited to this. The modulator may be provided in the vicinity of the intermediate image plane IP1. For example, the modulator is provided for position detection in a part of the duplicate image provided inside the field diaphragm AP arranged on the subject side of the intermediate image plane IP1. It may be a structure displayed as a mark. When the intermediate image plane IP1 is hollow, the modulator may be a symbol including protrusions or cutouts provided near the edge of the field diaphragm AP. The arrangement of the modulators does not have to match the position of the intermediate image plane IP1 because it can be implemented at least as long as the image appears as a position detection mark that can be detected by the computer in the duplicate image. When the modulator is separated from the intermediate image plane IP1 position in the optical axis direction, the detection rate can be increased by making the shape in consideration of optical defocus blur. For example, the modulator may be composed of an element that uses a holographic principle that makes the image of the position detection mark clear by defocusing.
ここで、一例として、レンズアレイＬＡと撮像センサＳＳとの相対回転の中心軸は既知であるが、複製像の面内ずれの回転角がθ［ｄｅｇ］である場合に位置検出用マークからレンズアレイＬＡの撮像センサＳＳに対する回転量を算出する方法について説明する。図３は、位置検出用マークからレンズアレイＬＡの撮像センサＳＳに対する回転量を算出する方法の説明図である。 Here, as an example, the central axis of the relative rotation between the lens array LA and the image sensor SS is known, but when the rotation angle of the in-plane deviation of the duplicated image is θ [deg], the lens is formed from the position detection mark. A method of calculating the amount of rotation of the array LA with respect to the image sensor SS will be described. FIG. 3 is an explanatory diagram of a method of calculating the amount of rotation of the lens array LA with respect to the image sensor SS from the position detection mark.
図３（ａ）は、図２（ｂ）のうち位置検出用マークＭＫ２１だけを抜き出した図である。まず、図３（ａ）に示されるように、中段の左右に結像された位置検出用マークＭＫ２１１ａ，ＭＫ２１２ａを、画像処理を用いて検出する。遠いマークのペアを用いるほど計算誤差が小さくなるため、より遠いマークのペアとして左上と右下のマークのペア、または右上と左下のマークのペアを用いてもよい。本実施例では、位置検出用マークの形状を円としているため、Ｈｏｕｇｈ変換などの円検出のアルゴリズムで位置検出用マークＭＫ２１１ａ，ＭＫ２１２ａを画像センサＳＳ上の座標として検出できる。 FIG. 3A is a diagram in which only the position detection mark MK21 is extracted from FIG. 2B. First, as shown in FIG. 3A, the position detection marks MK211a and MK212a formed on the left and right sides of the middle stage are detected by using image processing. Since the calculation error becomes smaller as the pair of distant marks is used, the pair of marks on the upper left and lower right or the pair of marks on the upper right and lower left may be used as the pair of distant marks. In this embodiment, since the shape of the position detection mark is a circle, the position detection marks MK211a and MK212a can be detected as the coordinates on the image sensor SS by a circle detection algorithm such as Hough transform.
次に、位置検出用マークＭＫ２１１ａ，ＭＫ２１２ａの座標から回転角θを算出する。位置検出用マークＭＫ２１１ａ，ＭＫ２１２ａの座標をそれぞれ（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２）とするとき、回転角θは以下の式（１）により算出される。 Next, the rotation angle θ is calculated from the coordinates of the position detection marks MK211a and MK212a. Position detection mark MK211a, respectively the coordinates of MK212a (x 1, y 1) , when a (x 2, y 2), the rotation angle θ is calculated by the following equation (1).
なお、本実施例では三角関数を用いて回転角θを算出したが、本発明はこれに限定されない。 In this embodiment, the rotation angle θ is calculated using a trigonometric function, but the present invention is not limited to this.
図２（ａ）の状態の位置から回転角θだけ補正した位置で各複製像を抽出すれば、面内ずれを抑制しながら分光画像を合成することができる。 By extracting each duplicate image at a position corrected by the rotation angle θ from the position in the state of FIG. 2A, it is possible to synthesize a spectroscopic image while suppressing in-plane deviation.
仮に、レンズアレイＬＡと画像センサＳＳの中心がずれていて、かつその位置が未知の場合、位置検出用マークＭＫ２１１ａ，ＭＫ２１２ａの座標の時間変化を利用すればよい。例えば、図３（ｂ）に示されるように、レンズアレイＬＡに回転ずれが発生した場合、位置検出用マークＭＫ２１１ａ，ＭＫ２１２ａが位置検出用マークＭＫ２１１ｂ，ＭＫ２１２ｂに移動したとする。このとき、線分ＭＫ２１１ａ−ＭＫ２１１ｂの中点から伸ばした垂線と線分ＭＫ２１２ａ−ＭＫ２１２ｂの中点から伸ばした垂線との交点が回転中心と幾何学的に算出される。線分の長さが小さく誤差が大きい場合、他の位置検出用マークＭＫ２１を用いて垂線を伸ばし、交点の平均座標を回転中心座標に採用すれば誤差を小さくできる。回転中心と回転角が算出されれば、複製像の基準位置の座標を（ｘｏｌｄ，ｙｏｌｄ）、更新位置の座標を（ｘｎｅｗ，ｙｎｅｗ）とするとき、複製像の回転中心座標（ｘ０，ｙ０）は以下の式（２）により算出される。 If the centers of the lens array LA and the image sensor SS are misaligned and their positions are unknown, the time change of the coordinates of the position detection marks MK211a and MK212a may be used. For example, as shown in FIG. 3B, it is assumed that the position detection marks MK211a and MK212a are moved to the position detection marks MK211b and MK212b when the lens array LA is rotated. At this time, the intersection of the perpendicular line extending from the midpoint of the line segment MK211a-MK211b and the perpendicular line extending from the midpoint of the line segment MK212a-MK212b is geometrically calculated with the center of rotation. When the length of the line segment is small and the error is large, the error can be reduced by extending the perpendicular line using another position detection mark MK21 and adopting the average coordinates of the intersections as the rotation center coordinates. Once the center of rotation and the angle of rotation are calculated, when the coordinates of the reference position of the duplicate image are (x old , y old ) and the coordinates of the update position are (x new , y new ), the coordinates of the center of rotation of the duplicate image (x new , y new ) x 0 , y 0 ) is calculated by the following equation (2).
なお、本実施例では回転行列を用いて複製像の回転中心座標を算出するが、本発明はこれに限定されない。また、先述した回転量を算出する方法では、少なくとも計算に用いる位置検出用マークＭＫ２１のペアが検出できさえすれば実施可能である。これは計算に用いないマークＭＫ１１は結像していなくても実施できることを意味する。 In this embodiment, the rotation center coordinates of the duplicate image are calculated using the rotation matrix, but the present invention is not limited to this. Further, the method for calculating the amount of rotation described above can be carried out as long as at least the pair of the position detection mark MK21 used for the calculation can be detected. This means that the mark MK11, which is not used in the calculation, can be implemented even if it is not imaged.
また、全ての複製像内の位置検出用マークＭＫ２１の座標を検出し、それらを基準に複製像を重ね合わせることで、計算誤差を発生させることなく、高精度に画像を合成することができる。ただし、この方法を採用する場合、全ての位置検出用マークＭＫ２１が同程度のコントラスト、および解像度で結像している必要がある。 Further, by detecting the coordinates of the position detection mark MK21 in all the duplicated images and superimposing the duplicated images based on them, the images can be synthesized with high accuracy without causing a calculation error. However, when this method is adopted, it is necessary that all the position detection marks MK21 are imaged with the same contrast and resolution.
以上説明したように、本実施例の構成によれば、撮像センサの構成に依存することなく、複製像の中心位置のずれ量を検出することができる。結果として、色ずれが緩和された合成画像を生成することが可能となる。 As described above, according to the configuration of the present embodiment, it is possible to detect the amount of deviation of the center position of the duplicated image without depending on the configuration of the imaging sensor. As a result, it is possible to generate a composite image in which the color shift is alleviated.
図４は、本実施例の構成の説明図である。図４（ａ）は、中間像面ＩＰ１に形成された被写体の中間像である。図４（ｂ）、および図４（ｃ）はそれぞれ、結像面ＩＰ２に形成された複数の複製像、および図４（ｂ）の状態からレンズアレイＬＡが撮像センサＳＳに対して時計回りに回転した場合の複数の複製像を示している。なお、本実施例の基本構成は実施例１と同様であり、差分のみ記載する。 FIG. 4 is an explanatory diagram of the configuration of this embodiment. FIG. 4A is an intermediate image of the subject formed on the intermediate image plane IP1. 4 (b) and 4 (c) show a plurality of duplicate images formed on the image plane IP2, respectively, and the lens array LA clockwise with respect to the image sensor SS from the state of FIG. 4 (b). It shows a plurality of duplicate images when rotated. The basic configuration of this embodiment is the same as that of the first embodiment, and only the difference is described.
ここで、拡散素子ＤＦの領域ＥＲ１以外の差分領域は、“画像センサＳＳには結像するが、合成画像には利用されない領域”となる。本実施例では、図４（ａ）に示されるように、位置検出用マークＭＫ１２を、合成画像には利用されない差分領域に設ける。これにより、図４（ｂ）、および図４（ｃ）に示されるように、位置検出用マークＭＫ２２は、有効領域ＥＲ２の外側の領域に形成される。位置検出用マークＭＫ２２の位置検出や複製像の面内ずれのずれ量の算出は、実施例１と同様の方法で行われる。つまり、合成画像に影響を与えることなく、実施例１の方法を実行できる。有効領域ＥＲ２外の領域は光束の欠けにより輝度が小さい（ＳＮ比が低い）可能性が高いため、位置検出用マークＭＫ２１は検出された際にＳＮ比が高くなるようにコントラストの高い材質で構成されていることが好ましい。例えば、位置検出用マークＭＫ２２は、全波長で遮光性の高い顔料系のインクを用いて拡散素子ＤＦ上に印刷されていてもよい。また、高いコントラストを得るために、位置検出用マークＭＫ２２を領域ＥＲ１にできる限り近接させてもよい。 Here, the difference region other than the region ER1 of the diffusion element DF is a “region that is imaged on the image sensor SS but is not used for the composite image”. In this embodiment, as shown in FIG. 4A, the position detection mark MK12 is provided in the difference region that is not used in the composite image. As a result, as shown in FIGS. 4 (b) and 4 (c), the position detection mark MK22 is formed in the region outside the effective region ER2. The position detection of the position detection mark MK22 and the calculation of the in-plane deviation amount of the duplicate image are performed by the same method as in the first embodiment. That is, the method of the first embodiment can be executed without affecting the composite image. Since the area outside the effective area ER2 is likely to have low brightness (low SN ratio) due to lack of luminous flux, the position detection mark MK21 is made of a material with high contrast so that the SN ratio becomes high when it is detected. It is preferable that it is. For example, the position detection mark MK22 may be printed on the diffusing element DF using a pigment-based ink having a high light-shielding property at all wavelengths. Further, in order to obtain high contrast, the position detection mark MK22 may be as close as possible to the region ER1.
以上説明したように、本実施例の構成によれば、合成画像に影響を与えずに、撮像センサの構成に依存することなく、複製像の中心位置のずれ量を検出することができる。 As described above, according to the configuration of the present embodiment, it is possible to detect the amount of deviation of the center position of the duplicated image without affecting the composite image and without depending on the configuration of the imaging sensor.
図５は、本実施例の構成の説明図である。図５（ａ）は、中間像面ＩＰ１に形成された被写体の中間像である。図５（ｂ）は、レンズアレイＬＡが撮像センサＳＳに対して時計回りに回転した場合の結像面ＩＰ２に形成された複数の複製像を示している。図５（ｃ）は、図５（ｂ）の一点鎖線で示された領域（ｃ）の拡大図である。なお、本実施例の基本構成は実施例１と同様であり、差分のみ記載する。 FIG. 5 is an explanatory diagram of the configuration of this embodiment. FIG. 5A is an intermediate image of the subject formed on the intermediate image plane IP1. FIG. 5B shows a plurality of duplicate images formed on the image plane IP2 when the lens array LA is rotated clockwise with respect to the image sensor SS. FIG. 5 (c) is an enlarged view of the region (c) indicated by the alternate long and short dash line in FIG. 5 (b). The basic configuration of this embodiment is the same as that of the first embodiment, and only the difference is described.
本実施例では、図５（ａ）に示すように、マークＭＫ１３は拡散素子ＤＦ上に複数設けられているため、複数の位置検出用マークＭＫ２３が結像面ＩＰ２上に形成される。そのため、複数の位置検出用マークＭＫ２３の位置を検出することで、複製像の位置を高精度に算出することができる。また、撮像センサＳＳのサイズと全ての複製像のサイズの差が非常に小さい場合、レンズアレイＬＡが回転することで一部の位置検出用マークＭＫ２３が撮像センサＳＳ外にはみ出てしまう場合もある。このような場合、複数のマークＭＫ２３のうち撮像センサＳＳ内で表示されているものを用いて複製像の位置を算出すればよい。 In this embodiment, as shown in FIG. 5A, since a plurality of mark MK13s are provided on the diffusion element DF, a plurality of position detection mark MK23s are formed on the image plane IP2. Therefore, by detecting the positions of the plurality of position detection marks MK23, the positions of the duplicate images can be calculated with high accuracy. Further, when the difference between the size of the image sensor SS and the size of all duplicate images is very small, a part of the position detection mark MK23 may protrude outside the image sensor SS due to the rotation of the lens array LA. .. In such a case, the position of the duplicate image may be calculated using the plurality of marks MK23 displayed in the image sensor SS.
複数のマークＭＫ１３は、領域ＥＲ１の周囲に均等に配置されていることが好ましい。また、複製像の姿勢まで推定できるため、複数のマークＭＫ１３のそれぞれの形状が異なっていることが好ましい。 The plurality of marks MK13 are preferably evenly arranged around the region ER1. Further, since the posture of the duplicated image can be estimated, it is preferable that the shapes of the plurality of marks MK13 are different.
本実施例のように、マークＭＫ１３を４隅に設ける場合、複製像の面内ずれのずれ量を別の方法で算出することができる。図５（ｃ）に示されるように、４つの複製像が近接する領域では、４つの位置検出用マークＭＫ２３が密接する。図５（ｃ）では、４つの位置検出用マークＭＫ２３のまとまりをマーク群ＭＫ２３Ｇと記載している。複製像の面内ずれのずれ量と、マーク群ＭＫ２３Ｇの大きさ、および形には相関があり、複製像の面内ずれのずれ量が大きいほど、マーク群ＭＫ２３Ｇは回転しながら離れていく。図５（ｃ）に矢印で示されるベクトルＬは、マーク群ＭＫ２３Ｇの最大長さ方向のベクトルである。ベクトルＬの長さ、または角度と、複製像の面内ずれのずれ量の相関係数を事前に取得しておくことで、撮影ごとにベクトルＬから複製像の面内ずれのずれ量を算出することが可能である。 When the mark MK13 is provided at the four corners as in this embodiment, the amount of in-plane deviation of the duplicated image can be calculated by another method. As shown in FIG. 5C, the four position detection marks MK23 are in close contact with each other in the region where the four duplicate images are close to each other. In FIG. 5C, a group of four position detection marks MK23 is described as a mark group MK23G. There is a correlation between the amount of in-plane deviation of the duplicate image and the size and shape of the mark group MK23G, and the larger the amount of in-plane deviation of the duplicate image, the more the mark group MK23G separates while rotating. The vector L indicated by the arrow in FIG. 5C is a vector in the maximum length direction of the mark group MK23G. By acquiring in advance the correlation coefficient between the length or angle of the vector L and the amount of in-plane deviation of the duplicate image, the amount of in-plane deviation of the duplicate image is calculated from the vector L for each shooting. It is possible to do.
以上説明したように、本実施例の構成によれば、撮像センサの構成に依存することなく、隣接する４つの位置検出用マークＭＫ２３からなるマーク群ＭＫ２３Ｇに注目して複製像の中心位置のずれ量を検出することができる。 As described above, according to the configuration of the present embodiment, the center position of the duplicated image is displaced by paying attention to the mark group MK23G composed of four adjacent position detection marks MK23 without depending on the configuration of the image sensor. The amount can be detected.
図６は、本実施例の構成の説明図である。図６（ａ）は、中間像面ＩＰ１に形成された被写体の中間像である。図６（ｂ）、および図６（ｃ）はそれぞれ、結像面ＩＰ２に形成された複数の複製像、および図６（ｂ）の状態からレンズアレイＬＡが撮像センサＳＳに対して時計回りに回転した場合の複数の複製像を示している。なお、本実施例の基本構成は実施例１と同様であり、差分のみ記載する。 FIG. 6 is an explanatory diagram of the configuration of this embodiment. FIG. 6A is an intermediate image of the subject formed on the intermediate image plane IP1. 6 (b) and 6 (c) show a plurality of duplicate images formed on the image plane IP2, respectively, and the lens array LA clockwise with respect to the image sensor SS from the state of FIG. 6 (b). It shows a plurality of duplicate images when rotated. The basic configuration of this embodiment is the same as that of the first embodiment, and only the difference is described.
本実施例では、レンズアレイＬＡと拡散素子ＤＦの相対位置が維持されるように中間光学系ＭＡに固定されている。また、図６（ａ）で示されるように、マークＭＫ１４は、水平方向へ延びた線として拡散素子ＤＦに設けられている。 In this embodiment, the lens array LA and the diffuser element DF are fixed to the intermediate optical system MA so as to maintain their relative positions. Further, as shown in FIG. 6A, the mark MK14 is provided on the diffusion element DF as a line extending in the horizontal direction.
図６（ｂ）に示されるように、マークＭＫ１４は、画像センサＳＳの撮像面に位置検出用マークＭＫ２４として形成される。このとき、位置検出用マークＭＫ２４は、水平方向に沿って再結像されている。中間光学系ＭＡがカメラボディＢＤに対して主光軸回りの回転方向に沿ってずれた場合、被写体の上下左右方位はカメラボディＢＤに対して維持される。しかしながら、中間光学系内ＭＡ内に保持されている拡散素子ＤＦ、レンズアレイＬＡ、および遮光壁ＢＷは主光軸回りの回転方向に沿って回転する。このとき、図６（ｃ）に示されるように、位置検出用マークＭＫ２４は、それぞれが水平方向に対して角度を有する状態で形成されている。この変化は、ユーザ（人間）の眼で見ても検出しやすい。例えば、撮影時のライブビューを見ながら、位置検出用マークＭＫ２４がＹ軸方向において１［ｐｉｘｅｌ］以内に収まるように調整して撮影すれば、複製像を重ね合わせた場合の色ずれ量も１［ｐｉｘｅｌ］以内に抑えることができる。ユーザが検出しやすいように、マークＭＫ１４は、位置検出用マークＭＫ２４が長く形成されるように設けられることが好ましい。 As shown in FIG. 6B, the mark MK14 is formed as a position detection mark MK24 on the imaging surface of the image sensor SS. At this time, the position detection mark MK24 is reimaged along the horizontal direction. When the intermediate optical system MA is displaced with respect to the camera body BD along the rotation direction around the main optical axis, the vertical and horizontal directions of the subject are maintained with respect to the camera body BD. However, the diffusion element DF, the lens array LA, and the light-shielding wall BW held in the MA in the intermediate optical system rotate along the rotation direction around the main optical axis. At this time, as shown in FIG. 6C, the position detection marks MK24 are formed in a state where each of them has an angle with respect to the horizontal direction. This change is easy to detect even with the eyes of the user (human). For example, if you adjust the position detection mark MK24 so that it fits within 1 [pixel] in the Y-axis direction while watching the live view at the time of shooting, the amount of color shift when the duplicate images are superimposed is also 1. It can be suppressed within [pixel]. The mark MK14 is preferably provided so that the position detection mark MK24 is formed long so that the user can easily detect the mark MK14.
また、マークＭＫ１４をＸ方向に沿って設けることで、解像度を確保するために有効領域ＥＲ２をＹ方向へ広げても、有効領域ＥＲ２外で位置検出用マークＭＫ２４が結像する面積を確保することができる。 Further, by providing the mark MK14 along the X direction, even if the effective area ER2 is expanded in the Y direction in order to secure the resolution, the area where the position detection mark MK24 is imaged outside the effective area ER2 is secured. Can be done.
以上説明したように、本実施例の構成によれば、撮像センサの構成に依存することなく、複製像の中心位置のずれ量を検出することができるとともに、複製像の解像度を向上させることが可能である。 As described above, according to the configuration of the present embodiment, it is possible to detect the amount of deviation of the center position of the duplicated image and improve the resolution of the duplicated image without depending on the configuration of the imaging sensor. It is possible.
図７は、本実施例の撮像システムＩＳの説明図である。本実施例では、カメラボディＢＤは、撮像センサＳＳ、算出部ＣＡ、および駆動部ＤＲを有する。算出部ＣＡは、位置検出用マークを検出することで、複製像の面内ずれのずれ量を算出する。駆動部ＤＲは、算出部ＣＡにより算出された複製像の面内ずれのずれ量を用いて撮像センサＳＳを駆動し、複製像の中心位置のずれ量を緩和するとともに、撮像センサＳＳの撮像面からの複製像のはみ出しを抑制することができる。このような構成を有することで、本実施例の撮像システム１００は、動的に複製像の面内ずれを補正することができる。 FIG. 7 is an explanatory diagram of the imaging system IS of this embodiment. In this embodiment, the camera body BD has an image sensor SS, a calculation unit CA, and a drive unit DR. The calculation unit CA calculates the amount of in-plane deviation of the duplicate image by detecting the position detection mark. The drive unit DR drives the image pickup sensor SS using the amount of in-plane deviation of the duplicated image calculated by the calculation unit CA to alleviate the amount of deviation of the center position of the duplicated image, and the imaging surface of the image pickup sensor SS. It is possible to suppress the protrusion of the duplicated image from the image. By having such a configuration, the imaging system 100 of this embodiment can dynamically correct the in-plane deviation of the duplicated image.
なお、本実施例では、算出部ＣＡ、および駆動部ＤＲは、カメラボディＢＤ内に設けられているが、図８に示されるように独立した制御装置ＣＵ内に設けられていてもよい。 In this embodiment, the calculation unit CA and the drive unit DR are provided in the camera body BD, but may be provided in an independent control device CU as shown in FIG.
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and modifications can be made within the scope of the gist thereof.
ＭＡ 中間光学系（光学装置）
ＢＤ カメラボディ（撮像装置）
ＬＡ レンズアレイ（レンズ部）
ＩＰ１ 中間像面（第１の面）
ＩＰ２ 結像面（第２の面）
ＭＫ１１−１４ マーク
ＭＫ２１−２４ 位置検出用マーク（変調子の像）
MA intermediate optical system (optical device)
BD camera body (imaging device)
LA lens array (lens part)
IP1 intermediate image plane (first plane)
IP2 image plane (second plane)
MK11-14 mark MK21-24 position detection mark (image of modulator)
Claims (12)
該光学装置よりも物体側に配置される光学系により第１の面に形成された物体の中間像を、夫々が第２の面に再結像する複数の結像部を備えるレンズ部と、
変調子とを有し、
前記レンズ部は、前記第２の面に前記変調子の像を形成することを特徴とする光学装置。 An optical device that can be attached to and detached from the image pickup device.
A lens unit including a plurality of imaging units, each of which reimages an intermediate image of an object formed on the first surface by an optical system arranged on the object side of the optical device on the second surface.
Has a modulator and
The lens unit is an optical device that forms an image of the modulator on the second surface.
前記変調子は、前記拡散素子に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。 Further having a diffusion element arranged on the first surface,
The optical device according to claim 1, wherein the modulator is provided in the diffusion element.
前記変調子は、前記絞りに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。 Further having an aperture arranged on the object side of the first surface,
The optical device according to claim 1, wherein the modulator is provided in the diaphragm.
The control device according to claim 11, further comprising a drive unit for driving an image pickup element included in the image pickup device in order to correct a misalignment of an image of the object.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2019120226A JP2021005054A (en) | 2019-06-27 | 2019-06-27 | Optical device, image capturing system, image capturing device, and control device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2019120226A JP2021005054A (en) | 2019-06-27 | 2019-06-27 | Optical device, image capturing system, image capturing device, and control device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| JP2019120226A Pending JP2021005054A (en) | 2019-06-27 | 2019-06-27 | Optical device, image capturing system, image capturing device, and control device |
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| Country | Link |
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| JP (1) | JP2021005054A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022172654A1 (en) * | 2021-02-10 | 2022-08-18 | キヤノン株式会社 | Optical system |
| WO2022208571A1 (en) * | 2021-03-29 | 2022-10-06 | 株式会社ニコン | Imaging device and imaging system |
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2019
- 2019-06-27 JP JP2019120226A patent/JP2021005054A/en active Pending
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|---|---|---|---|---|
| WO2022172654A1 (en) * | 2021-02-10 | 2022-08-18 | キヤノン株式会社 | Optical system |
| WO2022208571A1 (en) * | 2021-03-29 | 2022-10-06 | 株式会社ニコン | Imaging device and imaging system |
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