JP3429755B2 - 撮像装置の被写界深度制御装置 - Google Patents
撮像装置の被写界深度制御装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野］
本発明はテレビカメラ装置および撮像装置の被写界深
度制御装置に係り、特に焦点位置の異なる複数枚の画像
から被写界深度が深く高解像度な映像を得る被写界深度
制御装置に関する。 ［従来の技術］ 撮像管、もしくは固体撮像素子と撮像レンズを用いる
テレビカメラ装置にあっては最良焦点はレンズのフォー
カスリングを調整することで得られる。この時、最良焦
点とほぼ同程度の解像度で撮影できる奥行き方向の範
囲、すなわち被写界深度はレンズの絞りで定まってい
る。レンズの絞りが開いた状態では被写界深度は浅く、
すなわち最良焦点に近い映像が得られる範囲は狭くな
る。逆にレンズを絞った状態では被写界深度は深くなり
鮮明な画像が得られる範囲履が拡大される。 ところで次世代のテレビシステムとして期待されてい
る高精細テレビジョン方式では高解像度な映像をサービ
スすることを主たる目的に方式の設計がなされている。
高精細テレビジョン方式で用いられるテレビカメラ装置
も高解像度な特性が要求されている。ところが高精細テ
レビジョン方式では高解像度な映像信号を処理するた
め、信号処理回路の帯域は約30MHzであり、現行テレビ
方式の４〜6MHzに比べて６倍程度の拡大がなされてい
る。これに伴って雑音帯域も拡大し混入する雑音のパワ
ーは大きくなっている。そこで信号対雑音比（SNR）の
向上を目的に撮像素子に入射する光量を多くしている。
通常のスタジオ等の撮影では証明の光量を増やすことで
入射光量の増大が実現できるが、屋外撮影のように光量
が可変できない場合はレンズの絞りを開くことで対処し
ている。 ［発明が解決しようとする課題］ 上記のようにレンズの絞りを開いて入射量を増加させ
ることで信号対雑音比の改善が図れるものの、絞りを開
くことによって被写界深度は浅くなり高解像度も映像が
得られる範囲が極めて狭くなる。例えば人物撮影の場
合、人物に最良焦点位置を設定すると背景では全く焦点
があわず全体として解像感の低い画像しか得られない。
またレンズの絞りを閉じた際も光の回折現像のため、必
ずしも高解像度な映像が得られない場合がある。 本発明の目的は、上記のような絞りにのみ依存していた
被写界深度を信号処理技術によって制御し、絞りの状態
によらず被写界深度が深く高解像度な映像信号が得られ
る被写界深度制御装置を提供することにある。 ［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明では、焦点位置の
異なる複数枚の画像を得る手段と、焦点位置の異なる複
数枚の映像から任意の被写界深度の画像信号を合成する
手段とを設けたものである。 ［作用］ 焦点位置の異なる複数枚の画像を得る手段は最良焦点
位置の異なる複数の画像の撮影を行う。例えば人物撮影
では人物に最良焦点をもつ画像と、背景に最良焦点をも
つ画像を得る。画像信号を合成する手段は複数枚の画像
信号から最良焦点が得られている画像信号部分だけを選
択的に用い１枚の画像を合成する。これによれば人物に
対して最良の画像が得られることはもちろん、従来では
焦点はずれを起こしている背景画に対しても所望の被写
界深度の画像が得られ、全体として高解像度な映像信号
が得られる。 ［実施例］ 以下に本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明す
る。まず第２図を用いて本発明の概念を説明する。第２
図（ａ），（ｂ）の画像１および画像２は同一のシーン
をそれぞれ最良焦点位置を変えて撮像した２枚の画像を
示している。このシーンは近景に人物、遠景に建物、
車、木を写したものである。画像１の最良焦点位置は近
景の人物にある。従って画像１では遠景の車、建物、木
に焦点はあわず解像度の低い画像しか得られない。また
画像２の最良焦点は遠景にあり、近景の人物では焦点は
ずれの映像しか得られない。しかしながらこれら２枚の
画像から各々最良焦点位置の画像を選択的に抽出し画像
を合成することで、近景、遠景共に最良焦点の画像を得
ることが出来る。第２（ｃ）の画像離３にこの合成の様
子を示す。画像１の最良焦点位置の領域と画像２の最良
焦点位置の画像をそれぞれ用いることで画像３では近
景、遠景共に焦点状態が良好で高解像度な映像が得られ
る。 第１図は上述の概念を実現するカメラのブロック図の
一例である。本カメラは最良焦点位置を制御できる撮像
レンズ1,焦点位置制御回路2,撮像素子3,アナログアンプ
4,アナログ−デジタル変換器（以後、ADCと記載）5,ス
イッチ6,画像メモリ7,8,メモリ制御回路11,信号合成回
路9,デジタル−アナログ変換回路13,合成制御回路12,及
び同期回路10から構成する。被写体の像はレンズ１によ
って撮像素子３の受光面に結像し、撮像素子３によって
電気信号に変換する。この撮像の際、焦点位置制御回路
２はレンズ１に作用し、最良焦点位置を近景、遠景と交
互に切り換えながら撮影する。アナログアンプ４は撮像
素子３からの電気信号を所定の値まで増幅しADC5に入力
する。ADC5はこのアナログ信号をデジタル信号に変換す
る。デジタル化した画像信号は同期回路10によって制御
されるスイッチ回路６により周期的にスイッチングして
画像メモリと画像メモリ８に書き込む。なおメモリへの
信号書き込みはメモリ制御回路11が制御し、画像メモリ
７と画像メモリ８にはそれぞれ焦点位置の異なる画像を
格納する。画像メモリ7,8に記憶した信号はそれぞれ信
号合成回路9,および合成制御回路12に入力する。信号合
成回路９は入力された２系統の画像信号から最良焦点に
近い画像信号を選択して１枚の画像信号を合成する。合
成制御回路12は２系統の画像のいずれかが最良焦点であ
るかを判定し、最良焦点の画像を選択する制御信号を合
成制御回路９に対して送出する。なお、同期回路は、焦
点位置制御回路2,メモリ制御回路11,スイッチ回路６の
同期をとるために用いる。 第３図（ａ），（ｂ）は第１図に示したカメラの動作
を説明するタイミング図の一例である。第１図のカメラ
では焦点条件を近景、遠景に切り替えて撮影することを
述べた。第３図（ａ），（ｂ）はそのタイミングをじ示
している。本タイミングでは第１フィールドの期間は焦
点条件１（例えば近景）によって撮影し、第２フィール
ドにおいては焦点条件２（例えば遠景）によって撮影す
る。焦点位置の変更は例えば垂直帰線期間（Ｖ−BL期
間）に行えば良い。もちろん映像期間に変更することも
可能であるが、焦点位置を変更する際に生ずる雑音等の
影響がない帰線期間（Ｖ−BL期間）の方が好ましい。な
お、第３フィールド以降は再び焦点条件1,焦点条件２と
交互に条件を変えながら撮像する。 第４図（ａ），（ｂ）は第３図の変形を示すタイミン
グ図である。この図では焦点条件を３通り設けてある。
例えばこの３通りの内訳は遠景、中景、近景といったも
のに対応する。３フィールド期間に分けて焦点位置の異
なる画像を入力し、これら３種類の画像から１枚の被写
界深度の深い画像を合成する際のタイミングである。当
然この場合は、それぞれの焦点条件に応じた画像を記憶
する為のメモリは３フィールドとなる。本発明の主旨
は、焦点条件の異なる映像を撮影し、それらの画像から
合焦点の映像を選択合成することで被写界深度が深く高
解像度な画像を得ることにあり、焦点位置を何通り設け
るかは自由である。 第５図（ａ），（ｂ）はその他のタイミングを示す図
である。本実施例では１垂直走査周期（ハイビジョン方
式では16.6ミリ秒）に画像信号を２フィールド分読み出
す２倍速動作のタイミングである。第３図のように２フ
ィールド期間に撮影した画像から１枚の画像を合成する
とフィールド周波数は1/2になる。したがって予め２倍
のフィールド周期で画像を読み出し、最終的に通常のフ
ィールド周波数を確保する。２倍のフィールド周波数で
信号を読み出すため雑音帯域の増大、信号量の減少によ
り感度は低下し、レンズの絞り開める必要がある。しか
しながら本方式によれば、レンズ絞りによらず被写界深
度が制御できるため、レンズ絞りを開けたことにより生
じる被写界深度の減少を補っても余りある広範囲の深度
が得られ、２倍速の信号読み出しを行っても実用上の問
題はない。 第６図は信号合成回路９の一実施例である。この回路
はバッファーメモリ20,21,及び選択回路22から構成す
る。第１図の画像メモリ7,および画像メモリ８から読み
だした画像信号はそれぞれバッファーメモリ20,バッフ
ァーメモリ21に一時的に蓄え、その後選択回路22に入力
する。選択回路22は制御信号23の指令によりいずれかの
バッファーメモリの信号を出力するかを制御する。具体
的には合焦点状態により近い画像を読みだしているメモ
リの信号を選択する。なお、バッファーメモリの機能は
後述する。 第７図は第６図の変形を示す図である。第６図では選
択回路22によるオン／オフ制御であったのに対し本実施
例では利得制御回路24,25,及び加算回路26を用いた制御
方式である。バッファーメモリ20,21からの出力信号は
それぞれ利得制御回路24,25によって利得を調整し、そ
の後加算回路26に入力する。この回路方式によれば、２
枚の画像を合成するに際に滑らかに利得を変化させるこ
とで合成する画像の境界部分の画質を連続的に変化させ
られ境界の歪が取り除けるといった効果、さらにレンズ
絞りの状態に関係なく任意の被写界深度を自由に設定で
きといった効果がある。 第８図は第６図、および第７図の回路方式を簡略化し
たものである。この回路では利得制御回路をはぶき、２
枚の画像信号を加算回路26によって単純加算している。
この方法によれば、焦点はずれを起こしている領域の画
像信号に合焦点の画像信号が加算される。合焦点状態の
画像から高解像度情報（高域信号）が得られた単純に加
算しても通常の焦点はずれの状態より高解像度な映像信
号が得られるといった効果がある。 第９図は第８図の実施例に輪郭補償回路27を付加した
構成にしてある。単純加算によれば高域信号が加算され
るが、本実施例では輪郭補償回路27によってさらに高域
の強調を行い高解像度な映像信号が得られる。なお、以
上の実施例では合焦点状態の映像を選択する、あるいは
単純に加算する方式を述べた。その他の処理として焦点
位置の異なる複数枚の画像を交互に表示する方法を採用
してもよい。人間の視覚特性である積分機能 （短時間に表示された複数枚の画像は加算した画像とし
て認知する機能）により交互に表示した画像は第８図の
実施例とほぼ同様な効果が得られる。 第10図、第11図、第12図および第13図は最良焦点位置
を変えるための手段を示した実施例である。第10図はレ
ンズ31を移動することによって最良焦点位置を制御する
実施例を示した。テレビカメラに用いるレンズは複数枚
のレンズによって構成してあるが、その一部のレンズを
移動させることによって最良焦点位置32を焦点位置33の
ように変化させられる。本発明ではフィールド周期（60
Hz）、あるいはそれ以上の周波数で可動レンズ31の位置
を変化させるため、重量が少ないレンズを駆動すること
が好ましい。またレンズを動かすことによって撮影する
画像の倍率の変動、あるいは歪発生の最も少ない方法に
て焦点位置を変化させることが好ましいことはいうまで
もない。可動レンズ31を駆動する方法は本発明の主旨と
は直接関係ないが、たとえばピエゾ圧電素子を用いる方
法やモーターによって機械的に駆動する方法などが考え
られる。 第11図（ａ），（ｂ）は焦点位置を変える他の実施例
である。本例では厚みの異なる円盤状のガラス板37を回
転させる。このガラス円盤37をレンズ39と撮像素子38の
間に挿入する。ガラスの厚みが変わることによって焦点
位置の制御が可能になる。このガラス円盤37の回転には
モーターが利用できる。撮像素子38からの信号読みだし
に同期してガラス円盤37を回転させることで焦点位置の
異なる２枚の画像が得られる。なお本実施例ではガラス
の厚みを２種類としたが、必ずしも２種類に限定するこ
となく、３種類以上の厚みの異なるガラス円盤を用いて
もよいことは容易に理解できる。 また、例えばモリブデン酸ガドリニウムの様な強誘電
体結晶板の両面に透明電極を形成し、この結晶板へ印加
する電圧により屈折率を制御し、この、結晶板をガラス
円盤37の代わりに配置すれば、可動部を用いずに焦点位
置を可変できる。 第１図の実施例は焦点位置制御回路２がレンズに作用
する場合を示した。第12図はレンズ35の移動は行わず撮
像素子36の位置を変更することで最良焦点位置を変化さ
せる実施例である。この場合、焦点位置制御回路２は撮
像素子36に作用し、撮像素子の位置を変化させることで
最良焦点位置を近景あるいは遠景のいずれの位置にも制
御できる。撮像素子36の位置を可変するにも第10図の実
施例と同様にピエゾ圧電素子あるいはモーターなどによ
る駆動が考えられる。 第13図は第11図の実施例を多板、あるいは多管式のカ
メラに応用した例である。第12図では一個の撮像素子36
の位置を機械的に振動させていたが、第13図の実施例で
は撮像素子41,撮像素子42,撮像素子43をレンズ40の光軸
上に位相差を持たせて取り付けてある。各々の撮像素子
にはハーフミラー44,45,46を用いて同一の被写体像を結
像する。この時、撮像素子41は近景に最良焦点となる位
置、撮像素子42は中景、撮像素子43は遠景に最良焦点と
なるように取り付ける。各々の撮像素子から得られる画
像信号から焦点状態の良い画像信号を選択することで被
写界深度の深い鮮明な画像が得られる。なお、この実施
例はカラーテレビカメラに好適な実施例である。ほとん
どのカラーカメラでは撮像素子を複数個備えており第13
図のハーフミラー44,45,46をダイクロイックミラーに交
換し、各カラーチャネル毎に備えた撮像素子を第13図の
ように配置しておけば良い。カラーカメラから得られる
画像信号のうち、高解像度な特性が要求される輝度信号
は各色信号の合成信号であるので各撮像素子の合成信号
が高解像度になる本実施例は好適である。また本実施例
はデュアルグリーン方式と呼ばれるカラー撮像方式にも
好適である。デュアルグリーン方式とは撮像素子を３個
用意し、そのうち２個を緑色信号用に、残り１個を赤
色、および青色用に用いる方式である。輝度信号を構成
する原色の中で最も比率の高い緑色信号に対して現像素
子を２個用いるため、これら２個の撮像素子に位相差を
持たせて配置することで輝度信号の被写界深度拡大には
特に効果的である。なお、撮像素子の個数は幾つであっ
ても位相差をもたせて取り付けておけばよく、本発明の
主旨は満足されることは容易に理解できる。 次に第１図の合成制御回路12を詳細に説明する。第１
図の合成制御回路12の機能は画像メモリ7,画像メモリ８
のいずれの信号が合焦点状態にあるかを判定し、合焦点
状態にある画像信号を選択する制御信号22を発生するこ
とである。第14図は第６図の選択回路22に適した合焦点
状態判定回路の１実施例である。本回路は信号パワー演
算器50,51と比較回路52から構成する。合焦点状態の映
像には高域信号成分が多く、高域でのパワーは大きくな
る。従って高域パワーの比較を行うことで、いずれの信
号が合焦点状態にあるかは容易に判定可能である。第15
図はパワー演算器50の一実施例である。本回路は帯域通
過フィルタ（以後BPFと略記する）53,2乗回路55,累積回
路57から構成する。BPF53は映像信号から中域信号を選
択的に通過させる。２乗回路55と累積回路57によって信
号のパワーが計算できる。なお２乗回路の代わりに絶対
値回路を用いても画像のパワーが計算でき代用すること
も可能である。信号のパワー判定は第１図の信号合成回
路９の動作に先だって行う必要がある。第６図，第７
図，第８図，及び第９図の実施例で述べた選択回路のバ
ッファーメモリ20,21は合成制御回路が制御信号を発生
するまでに要する期間の信号遅延を行うために用いる。 第16図は第７図の信号合成回路に対して好適な合成制
御回路である。本回路は係数制御回路59を用いている。
この係数制御回路59はパワー演算回数50,51の演算結果
に応じた係数信号を発生する。例えば第１図の画像メモ
リ７に蓄えた画像のパワーが画像メモリ８に蓄えた画像
のパワーより大きな場合は利得制御回路25の利得に対し
利得制御回路24の利得を大きく設定する。この利得制御
特性は用いる画像の境界が滑らかに変化するように設定
すればよい。 第17図、および第18図は第１の変形を示す実施例であ
る。第17図と第１図の相違点は像歪補正回路60を付加し
た点にある。通常のレンズでは焦点位置を変更するとそ
れに伴って像の倍率が変化する。この像歪補正回路60は
焦点位置を変えた時に生ずる像の歪を補正する機能があ
る。この像歪の補正方法は本発明の主旨とは直接関係な
いが、例えばデジタル画像処理の分野で開発されている
アフィン変換等の画像の幾何学補正方式を用いることが
できる。また、焦点位置を変更した際に生じる画像の歪
は主に像倍率の変動であるので必ずしも歪補正回路を用
いなくともよい。例えば撮影レンズにズームレンズを用
い焦点レンズの駆動に同期してズーム倍率を制御し、像
倍率の変動を抑制するような構成でもかまわない。 第18図と第１図の相違点は動き検出回路61を付加した
点にある。レンズの駆動は第３図、第４図，第５図の実
施例で示したように２フィールド周期、あるいは２倍速
動作による1/2フィールド周期等が考えられ、２枚の連
続する画像から１枚の画像を合成する。このとき画像に
動きがあると合成した画像の動き部分に不連続が生じる
場合がある。第18図の動き検出回路は得られた画像信号
から被写体の動きを検出し、対象画像の動きを検知した
場合は焦点位置の制御、及び信号の合成を停止させる機
能がある。被写界深度や解像度の低下が検知されるのは
主に被写体が静止した状態であるため、動画に対して被
写界深度の拡大を中止しても実用上問題はない。 第19図は固体撮像素子を用いた場合に可能な焦点位置
の制御並びに撮像方式の実施例である。固体撮像素子を
用いた場合、容易にシャッター動作が可能である。本発
明の焦点位置の制御では、遠景に最良焦点を合わせる場
合と、近景に最良焦点を合わせる場合との間に必ず過渡
的な焦点状態が存在する。この過渡的な焦点状態の映像
はレンズの移動時に生じる歪等を含み、撮像素子の蓄積
期間内にあると画質の低下を生じさせる。この過渡的な
映像信号を排除するのにシャッター機能を用いる。この
タイミングでは信号を読みだした直後にレンズ、あるい
は撮像素子の駆動を開始する。レンズの移動が終了した
時点でシャッター機能により信号を吐き出し、再び信号
の蓄積を開始する。それにはシャッター動作とレンズ駆
動を同期させることで実現できる。シャッター動作によ
り過渡的な状態の映像信号を取り除け、高解像度な映像
信号離が得られる。 第20図は焦点位置の変動量の制御特性を示した一実施
例である。被写界深度はレンズの絞り値によって変化す
る。従って同一の被写界深度を得るには、レンズ、ある
いは撮像素子の移動量をレンズの絞りの値によって制御
する必要がある。第20図の実施例に示したように、例え
ば絞りが開いた状態では焦点位置の移動量を多くし、逆
に絞りが閉じた状態では移動量を少なくするように制御
する。これにより被写界深度一定といった条件を保った
ことも可能となる。また実用上十分な被写界深度が得ら
れる絞りに達した後（例えばＦ＝5.6）は焦点位置の変
動を停止することで、通常の撮影動作に移行させるのが
良い。第20図の例は制御特性の一例を示したもので、本
実施例の意図するところは、レンズの絞りの値に応じて
焦点位置の移動量を制御する点である。 その他の制御方法として、被写体の動きに連動させて
焦点位置範囲を制御する事が考えられる。動きのある被
写体を撮影する場合は十分な解像度が得られない。この
ような時は最良焦点を動き被写体に合わせる必要がない
ため動きに応じて焦点位置を制御することは効果があ
る。また被写界深度を制御することで特殊効果を狙った
撮影も可能となり、この場合は焦点位置の制御範囲は撮
影者が自由に設定できるようにしておけばよい。 なお、いままで述べた多くの実施例は、主にテレビカ
メラの被写界深度制御方法を述べた。本発明はレンズ、
撮像素子を用いた電子カメラに応用できることは容易に
類推できる。 ［発明の効果］ 以上、本発明によればレンズの絞りに左右されること
なくテレビカメラ装置の被写界深度を自由に制御するこ
とが可能になる。このことからレンズ絞りを開け高感度
を得ながら被写界深度が深く高解像度な映像信号を得ら
れ高画質化に効果がある。また被写界深度を撮影者の所
望な量に制御できることから撮影の自由度の増加、さら
に特殊効果を狙った撮影が可能になる等カメラの利用範
囲の拡大が図れるといった絶大な効果がある。
度制御装置に係り、特に焦点位置の異なる複数枚の画像
から被写界深度が深く高解像度な映像を得る被写界深度
制御装置に関する。 ［従来の技術］ 撮像管、もしくは固体撮像素子と撮像レンズを用いる
テレビカメラ装置にあっては最良焦点はレンズのフォー
カスリングを調整することで得られる。この時、最良焦
点とほぼ同程度の解像度で撮影できる奥行き方向の範
囲、すなわち被写界深度はレンズの絞りで定まってい
る。レンズの絞りが開いた状態では被写界深度は浅く、
すなわち最良焦点に近い映像が得られる範囲は狭くな
る。逆にレンズを絞った状態では被写界深度は深くなり
鮮明な画像が得られる範囲履が拡大される。 ところで次世代のテレビシステムとして期待されてい
る高精細テレビジョン方式では高解像度な映像をサービ
スすることを主たる目的に方式の設計がなされている。
高精細テレビジョン方式で用いられるテレビカメラ装置
も高解像度な特性が要求されている。ところが高精細テ
レビジョン方式では高解像度な映像信号を処理するた
め、信号処理回路の帯域は約30MHzであり、現行テレビ
方式の４〜6MHzに比べて６倍程度の拡大がなされてい
る。これに伴って雑音帯域も拡大し混入する雑音のパワ
ーは大きくなっている。そこで信号対雑音比（SNR）の
向上を目的に撮像素子に入射する光量を多くしている。
通常のスタジオ等の撮影では証明の光量を増やすことで
入射光量の増大が実現できるが、屋外撮影のように光量
が可変できない場合はレンズの絞りを開くことで対処し
ている。 ［発明が解決しようとする課題］ 上記のようにレンズの絞りを開いて入射量を増加させ
ることで信号対雑音比の改善が図れるものの、絞りを開
くことによって被写界深度は浅くなり高解像度も映像が
得られる範囲が極めて狭くなる。例えば人物撮影の場
合、人物に最良焦点位置を設定すると背景では全く焦点
があわず全体として解像感の低い画像しか得られない。
またレンズの絞りを閉じた際も光の回折現像のため、必
ずしも高解像度な映像が得られない場合がある。 本発明の目的は、上記のような絞りにのみ依存していた
被写界深度を信号処理技術によって制御し、絞りの状態
によらず被写界深度が深く高解像度な映像信号が得られ
る被写界深度制御装置を提供することにある。 ［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明では、焦点位置の
異なる複数枚の画像を得る手段と、焦点位置の異なる複
数枚の映像から任意の被写界深度の画像信号を合成する
手段とを設けたものである。 ［作用］ 焦点位置の異なる複数枚の画像を得る手段は最良焦点
位置の異なる複数の画像の撮影を行う。例えば人物撮影
では人物に最良焦点をもつ画像と、背景に最良焦点をも
つ画像を得る。画像信号を合成する手段は複数枚の画像
信号から最良焦点が得られている画像信号部分だけを選
択的に用い１枚の画像を合成する。これによれば人物に
対して最良の画像が得られることはもちろん、従来では
焦点はずれを起こしている背景画に対しても所望の被写
界深度の画像が得られ、全体として高解像度な映像信号
が得られる。 ［実施例］ 以下に本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明す
る。まず第２図を用いて本発明の概念を説明する。第２
図（ａ），（ｂ）の画像１および画像２は同一のシーン
をそれぞれ最良焦点位置を変えて撮像した２枚の画像を
示している。このシーンは近景に人物、遠景に建物、
車、木を写したものである。画像１の最良焦点位置は近
景の人物にある。従って画像１では遠景の車、建物、木
に焦点はあわず解像度の低い画像しか得られない。また
画像２の最良焦点は遠景にあり、近景の人物では焦点は
ずれの映像しか得られない。しかしながらこれら２枚の
画像から各々最良焦点位置の画像を選択的に抽出し画像
を合成することで、近景、遠景共に最良焦点の画像を得
ることが出来る。第２（ｃ）の画像離３にこの合成の様
子を示す。画像１の最良焦点位置の領域と画像２の最良
焦点位置の画像をそれぞれ用いることで画像３では近
景、遠景共に焦点状態が良好で高解像度な映像が得られ
る。 第１図は上述の概念を実現するカメラのブロック図の
一例である。本カメラは最良焦点位置を制御できる撮像
レンズ1,焦点位置制御回路2,撮像素子3,アナログアンプ
4,アナログ−デジタル変換器（以後、ADCと記載）5,ス
イッチ6,画像メモリ7,8,メモリ制御回路11,信号合成回
路9,デジタル−アナログ変換回路13,合成制御回路12,及
び同期回路10から構成する。被写体の像はレンズ１によ
って撮像素子３の受光面に結像し、撮像素子３によって
電気信号に変換する。この撮像の際、焦点位置制御回路
２はレンズ１に作用し、最良焦点位置を近景、遠景と交
互に切り換えながら撮影する。アナログアンプ４は撮像
素子３からの電気信号を所定の値まで増幅しADC5に入力
する。ADC5はこのアナログ信号をデジタル信号に変換す
る。デジタル化した画像信号は同期回路10によって制御
されるスイッチ回路６により周期的にスイッチングして
画像メモリと画像メモリ８に書き込む。なおメモリへの
信号書き込みはメモリ制御回路11が制御し、画像メモリ
７と画像メモリ８にはそれぞれ焦点位置の異なる画像を
格納する。画像メモリ7,8に記憶した信号はそれぞれ信
号合成回路9,および合成制御回路12に入力する。信号合
成回路９は入力された２系統の画像信号から最良焦点に
近い画像信号を選択して１枚の画像信号を合成する。合
成制御回路12は２系統の画像のいずれかが最良焦点であ
るかを判定し、最良焦点の画像を選択する制御信号を合
成制御回路９に対して送出する。なお、同期回路は、焦
点位置制御回路2,メモリ制御回路11,スイッチ回路６の
同期をとるために用いる。 第３図（ａ），（ｂ）は第１図に示したカメラの動作
を説明するタイミング図の一例である。第１図のカメラ
では焦点条件を近景、遠景に切り替えて撮影することを
述べた。第３図（ａ），（ｂ）はそのタイミングをじ示
している。本タイミングでは第１フィールドの期間は焦
点条件１（例えば近景）によって撮影し、第２フィール
ドにおいては焦点条件２（例えば遠景）によって撮影す
る。焦点位置の変更は例えば垂直帰線期間（Ｖ−BL期
間）に行えば良い。もちろん映像期間に変更することも
可能であるが、焦点位置を変更する際に生ずる雑音等の
影響がない帰線期間（Ｖ−BL期間）の方が好ましい。な
お、第３フィールド以降は再び焦点条件1,焦点条件２と
交互に条件を変えながら撮像する。 第４図（ａ），（ｂ）は第３図の変形を示すタイミン
グ図である。この図では焦点条件を３通り設けてある。
例えばこの３通りの内訳は遠景、中景、近景といったも
のに対応する。３フィールド期間に分けて焦点位置の異
なる画像を入力し、これら３種類の画像から１枚の被写
界深度の深い画像を合成する際のタイミングである。当
然この場合は、それぞれの焦点条件に応じた画像を記憶
する為のメモリは３フィールドとなる。本発明の主旨
は、焦点条件の異なる映像を撮影し、それらの画像から
合焦点の映像を選択合成することで被写界深度が深く高
解像度な画像を得ることにあり、焦点位置を何通り設け
るかは自由である。 第５図（ａ），（ｂ）はその他のタイミングを示す図
である。本実施例では１垂直走査周期（ハイビジョン方
式では16.6ミリ秒）に画像信号を２フィールド分読み出
す２倍速動作のタイミングである。第３図のように２フ
ィールド期間に撮影した画像から１枚の画像を合成する
とフィールド周波数は1/2になる。したがって予め２倍
のフィールド周期で画像を読み出し、最終的に通常のフ
ィールド周波数を確保する。２倍のフィールド周波数で
信号を読み出すため雑音帯域の増大、信号量の減少によ
り感度は低下し、レンズの絞り開める必要がある。しか
しながら本方式によれば、レンズ絞りによらず被写界深
度が制御できるため、レンズ絞りを開けたことにより生
じる被写界深度の減少を補っても余りある広範囲の深度
が得られ、２倍速の信号読み出しを行っても実用上の問
題はない。 第６図は信号合成回路９の一実施例である。この回路
はバッファーメモリ20,21,及び選択回路22から構成す
る。第１図の画像メモリ7,および画像メモリ８から読み
だした画像信号はそれぞれバッファーメモリ20,バッフ
ァーメモリ21に一時的に蓄え、その後選択回路22に入力
する。選択回路22は制御信号23の指令によりいずれかの
バッファーメモリの信号を出力するかを制御する。具体
的には合焦点状態により近い画像を読みだしているメモ
リの信号を選択する。なお、バッファーメモリの機能は
後述する。 第７図は第６図の変形を示す図である。第６図では選
択回路22によるオン／オフ制御であったのに対し本実施
例では利得制御回路24,25,及び加算回路26を用いた制御
方式である。バッファーメモリ20,21からの出力信号は
それぞれ利得制御回路24,25によって利得を調整し、そ
の後加算回路26に入力する。この回路方式によれば、２
枚の画像を合成するに際に滑らかに利得を変化させるこ
とで合成する画像の境界部分の画質を連続的に変化させ
られ境界の歪が取り除けるといった効果、さらにレンズ
絞りの状態に関係なく任意の被写界深度を自由に設定で
きといった効果がある。 第８図は第６図、および第７図の回路方式を簡略化し
たものである。この回路では利得制御回路をはぶき、２
枚の画像信号を加算回路26によって単純加算している。
この方法によれば、焦点はずれを起こしている領域の画
像信号に合焦点の画像信号が加算される。合焦点状態の
画像から高解像度情報（高域信号）が得られた単純に加
算しても通常の焦点はずれの状態より高解像度な映像信
号が得られるといった効果がある。 第９図は第８図の実施例に輪郭補償回路27を付加した
構成にしてある。単純加算によれば高域信号が加算され
るが、本実施例では輪郭補償回路27によってさらに高域
の強調を行い高解像度な映像信号が得られる。なお、以
上の実施例では合焦点状態の映像を選択する、あるいは
単純に加算する方式を述べた。その他の処理として焦点
位置の異なる複数枚の画像を交互に表示する方法を採用
してもよい。人間の視覚特性である積分機能 （短時間に表示された複数枚の画像は加算した画像とし
て認知する機能）により交互に表示した画像は第８図の
実施例とほぼ同様な効果が得られる。 第10図、第11図、第12図および第13図は最良焦点位置
を変えるための手段を示した実施例である。第10図はレ
ンズ31を移動することによって最良焦点位置を制御する
実施例を示した。テレビカメラに用いるレンズは複数枚
のレンズによって構成してあるが、その一部のレンズを
移動させることによって最良焦点位置32を焦点位置33の
ように変化させられる。本発明ではフィールド周期（60
Hz）、あるいはそれ以上の周波数で可動レンズ31の位置
を変化させるため、重量が少ないレンズを駆動すること
が好ましい。またレンズを動かすことによって撮影する
画像の倍率の変動、あるいは歪発生の最も少ない方法に
て焦点位置を変化させることが好ましいことはいうまで
もない。可動レンズ31を駆動する方法は本発明の主旨と
は直接関係ないが、たとえばピエゾ圧電素子を用いる方
法やモーターによって機械的に駆動する方法などが考え
られる。 第11図（ａ），（ｂ）は焦点位置を変える他の実施例
である。本例では厚みの異なる円盤状のガラス板37を回
転させる。このガラス円盤37をレンズ39と撮像素子38の
間に挿入する。ガラスの厚みが変わることによって焦点
位置の制御が可能になる。このガラス円盤37の回転には
モーターが利用できる。撮像素子38からの信号読みだし
に同期してガラス円盤37を回転させることで焦点位置の
異なる２枚の画像が得られる。なお本実施例ではガラス
の厚みを２種類としたが、必ずしも２種類に限定するこ
となく、３種類以上の厚みの異なるガラス円盤を用いて
もよいことは容易に理解できる。 また、例えばモリブデン酸ガドリニウムの様な強誘電
体結晶板の両面に透明電極を形成し、この結晶板へ印加
する電圧により屈折率を制御し、この、結晶板をガラス
円盤37の代わりに配置すれば、可動部を用いずに焦点位
置を可変できる。 第１図の実施例は焦点位置制御回路２がレンズに作用
する場合を示した。第12図はレンズ35の移動は行わず撮
像素子36の位置を変更することで最良焦点位置を変化さ
せる実施例である。この場合、焦点位置制御回路２は撮
像素子36に作用し、撮像素子の位置を変化させることで
最良焦点位置を近景あるいは遠景のいずれの位置にも制
御できる。撮像素子36の位置を可変するにも第10図の実
施例と同様にピエゾ圧電素子あるいはモーターなどによ
る駆動が考えられる。 第13図は第11図の実施例を多板、あるいは多管式のカ
メラに応用した例である。第12図では一個の撮像素子36
の位置を機械的に振動させていたが、第13図の実施例で
は撮像素子41,撮像素子42,撮像素子43をレンズ40の光軸
上に位相差を持たせて取り付けてある。各々の撮像素子
にはハーフミラー44,45,46を用いて同一の被写体像を結
像する。この時、撮像素子41は近景に最良焦点となる位
置、撮像素子42は中景、撮像素子43は遠景に最良焦点と
なるように取り付ける。各々の撮像素子から得られる画
像信号から焦点状態の良い画像信号を選択することで被
写界深度の深い鮮明な画像が得られる。なお、この実施
例はカラーテレビカメラに好適な実施例である。ほとん
どのカラーカメラでは撮像素子を複数個備えており第13
図のハーフミラー44,45,46をダイクロイックミラーに交
換し、各カラーチャネル毎に備えた撮像素子を第13図の
ように配置しておけば良い。カラーカメラから得られる
画像信号のうち、高解像度な特性が要求される輝度信号
は各色信号の合成信号であるので各撮像素子の合成信号
が高解像度になる本実施例は好適である。また本実施例
はデュアルグリーン方式と呼ばれるカラー撮像方式にも
好適である。デュアルグリーン方式とは撮像素子を３個
用意し、そのうち２個を緑色信号用に、残り１個を赤
色、および青色用に用いる方式である。輝度信号を構成
する原色の中で最も比率の高い緑色信号に対して現像素
子を２個用いるため、これら２個の撮像素子に位相差を
持たせて配置することで輝度信号の被写界深度拡大には
特に効果的である。なお、撮像素子の個数は幾つであっ
ても位相差をもたせて取り付けておけばよく、本発明の
主旨は満足されることは容易に理解できる。 次に第１図の合成制御回路12を詳細に説明する。第１
図の合成制御回路12の機能は画像メモリ7,画像メモリ８
のいずれの信号が合焦点状態にあるかを判定し、合焦点
状態にある画像信号を選択する制御信号22を発生するこ
とである。第14図は第６図の選択回路22に適した合焦点
状態判定回路の１実施例である。本回路は信号パワー演
算器50,51と比較回路52から構成する。合焦点状態の映
像には高域信号成分が多く、高域でのパワーは大きくな
る。従って高域パワーの比較を行うことで、いずれの信
号が合焦点状態にあるかは容易に判定可能である。第15
図はパワー演算器50の一実施例である。本回路は帯域通
過フィルタ（以後BPFと略記する）53,2乗回路55,累積回
路57から構成する。BPF53は映像信号から中域信号を選
択的に通過させる。２乗回路55と累積回路57によって信
号のパワーが計算できる。なお２乗回路の代わりに絶対
値回路を用いても画像のパワーが計算でき代用すること
も可能である。信号のパワー判定は第１図の信号合成回
路９の動作に先だって行う必要がある。第６図，第７
図，第８図，及び第９図の実施例で述べた選択回路のバ
ッファーメモリ20,21は合成制御回路が制御信号を発生
するまでに要する期間の信号遅延を行うために用いる。 第16図は第７図の信号合成回路に対して好適な合成制
御回路である。本回路は係数制御回路59を用いている。
この係数制御回路59はパワー演算回数50,51の演算結果
に応じた係数信号を発生する。例えば第１図の画像メモ
リ７に蓄えた画像のパワーが画像メモリ８に蓄えた画像
のパワーより大きな場合は利得制御回路25の利得に対し
利得制御回路24の利得を大きく設定する。この利得制御
特性は用いる画像の境界が滑らかに変化するように設定
すればよい。 第17図、および第18図は第１の変形を示す実施例であ
る。第17図と第１図の相違点は像歪補正回路60を付加し
た点にある。通常のレンズでは焦点位置を変更するとそ
れに伴って像の倍率が変化する。この像歪補正回路60は
焦点位置を変えた時に生ずる像の歪を補正する機能があ
る。この像歪の補正方法は本発明の主旨とは直接関係な
いが、例えばデジタル画像処理の分野で開発されている
アフィン変換等の画像の幾何学補正方式を用いることが
できる。また、焦点位置を変更した際に生じる画像の歪
は主に像倍率の変動であるので必ずしも歪補正回路を用
いなくともよい。例えば撮影レンズにズームレンズを用
い焦点レンズの駆動に同期してズーム倍率を制御し、像
倍率の変動を抑制するような構成でもかまわない。 第18図と第１図の相違点は動き検出回路61を付加した
点にある。レンズの駆動は第３図、第４図，第５図の実
施例で示したように２フィールド周期、あるいは２倍速
動作による1/2フィールド周期等が考えられ、２枚の連
続する画像から１枚の画像を合成する。このとき画像に
動きがあると合成した画像の動き部分に不連続が生じる
場合がある。第18図の動き検出回路は得られた画像信号
から被写体の動きを検出し、対象画像の動きを検知した
場合は焦点位置の制御、及び信号の合成を停止させる機
能がある。被写界深度や解像度の低下が検知されるのは
主に被写体が静止した状態であるため、動画に対して被
写界深度の拡大を中止しても実用上問題はない。 第19図は固体撮像素子を用いた場合に可能な焦点位置
の制御並びに撮像方式の実施例である。固体撮像素子を
用いた場合、容易にシャッター動作が可能である。本発
明の焦点位置の制御では、遠景に最良焦点を合わせる場
合と、近景に最良焦点を合わせる場合との間に必ず過渡
的な焦点状態が存在する。この過渡的な焦点状態の映像
はレンズの移動時に生じる歪等を含み、撮像素子の蓄積
期間内にあると画質の低下を生じさせる。この過渡的な
映像信号を排除するのにシャッター機能を用いる。この
タイミングでは信号を読みだした直後にレンズ、あるい
は撮像素子の駆動を開始する。レンズの移動が終了した
時点でシャッター機能により信号を吐き出し、再び信号
の蓄積を開始する。それにはシャッター動作とレンズ駆
動を同期させることで実現できる。シャッター動作によ
り過渡的な状態の映像信号を取り除け、高解像度な映像
信号離が得られる。 第20図は焦点位置の変動量の制御特性を示した一実施
例である。被写界深度はレンズの絞り値によって変化す
る。従って同一の被写界深度を得るには、レンズ、ある
いは撮像素子の移動量をレンズの絞りの値によって制御
する必要がある。第20図の実施例に示したように、例え
ば絞りが開いた状態では焦点位置の移動量を多くし、逆
に絞りが閉じた状態では移動量を少なくするように制御
する。これにより被写界深度一定といった条件を保った
ことも可能となる。また実用上十分な被写界深度が得ら
れる絞りに達した後（例えばＦ＝5.6）は焦点位置の変
動を停止することで、通常の撮影動作に移行させるのが
良い。第20図の例は制御特性の一例を示したもので、本
実施例の意図するところは、レンズの絞りの値に応じて
焦点位置の移動量を制御する点である。 その他の制御方法として、被写体の動きに連動させて
焦点位置範囲を制御する事が考えられる。動きのある被
写体を撮影する場合は十分な解像度が得られない。この
ような時は最良焦点を動き被写体に合わせる必要がない
ため動きに応じて焦点位置を制御することは効果があ
る。また被写界深度を制御することで特殊効果を狙った
撮影も可能となり、この場合は焦点位置の制御範囲は撮
影者が自由に設定できるようにしておけばよい。 なお、いままで述べた多くの実施例は、主にテレビカ
メラの被写界深度制御方法を述べた。本発明はレンズ、
撮像素子を用いた電子カメラに応用できることは容易に
類推できる。 ［発明の効果］ 以上、本発明によればレンズの絞りに左右されること
なくテレビカメラ装置の被写界深度を自由に制御するこ
とが可能になる。このことからレンズ絞りを開け高感度
を得ながら被写界深度が深く高解像度な映像信号を得ら
れ高画質化に効果がある。また被写界深度を撮影者の所
望な量に制御できることから撮影の自由度の増加、さら
に特殊効果を狙った撮影が可能になる等カメラの利用範
囲の拡大が図れるといった絶大な効果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明方式を実現するカメラのブロック図、第
２図は本発明の概念を示す図、第３図、第４図、第５図
は撮像動作のタイミング図、第６図、第７図、第８図、
第９図は信号合成回路のブロック図、第10図、第11図は
焦点位置を変更可能な撮像レンズのブロック図、第12
図、第13図は焦点位置を変更可能な撮像方式の実施例、
第14図、第16図は合成制御回路のブロック図、第15図は
パワー演算回路の一実施例、第17図は第１図に像歪補正
回路を付加した実施例、第18図は第１図に動き検出回路
を付加した実施例、第19図はレンズ絞り値による焦点位
置の変動量の制御特性例、第20図は固体撮像素子のシャ
ッター動作と焦点移動を組み合わせた動作のタイミング
である。 ［符号の説明］ １……レンズ、２……焦点位置制御回路、３……撮像素
子、６……スイッチ、7,8……画像メモリ、９……信号
合成回路、10……同期回路、11……メモリ制御回路、12
……合成制御回路、20,21……バッファメモリ、24,25…
…利得制御回路、26……加算回路、27……輪郭補償回
路、30……レンズ、31……可動レンズ、37……ガラス円
盤、44,45,46……ハーフミラー、50,51……パワー演算
回路、52……比較回路、60……像歪補正回路、61……動
き検出回路。
２図は本発明の概念を示す図、第３図、第４図、第５図
は撮像動作のタイミング図、第６図、第７図、第８図、
第９図は信号合成回路のブロック図、第10図、第11図は
焦点位置を変更可能な撮像レンズのブロック図、第12
図、第13図は焦点位置を変更可能な撮像方式の実施例、
第14図、第16図は合成制御回路のブロック図、第15図は
パワー演算回路の一実施例、第17図は第１図に像歪補正
回路を付加した実施例、第18図は第１図に動き検出回路
を付加した実施例、第19図はレンズ絞り値による焦点位
置の変動量の制御特性例、第20図は固体撮像素子のシャ
ッター動作と焦点移動を組み合わせた動作のタイミング
である。 ［符号の説明］ １……レンズ、２……焦点位置制御回路、３……撮像素
子、６……スイッチ、7,8……画像メモリ、９……信号
合成回路、10……同期回路、11……メモリ制御回路、12
……合成制御回路、20,21……バッファメモリ、24,25…
…利得制御回路、26……加算回路、27……輪郭補償回
路、30……レンズ、31……可動レンズ、37……ガラス円
盤、44,45,46……ハーフミラー、50,51……パワー演算
回路、52……比較回路、60……像歪補正回路、61……動
き検出回路。
フロントページの続き
(72)発明者 秋山 俊之
東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地
株式会社日立製作所中央研究所内
(72)発明者 江藤 良純
東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地
株式会社日立製作所中央研究所内
(72)発明者 小沢 直樹
東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地
株式会社日立製作所中央研究所内
(72)発明者 松本 孝浩
東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地
株式会社日立製作所中央研究所内
(56)参考文献 特開 平１−309478（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−157080（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H04N 5/222 - 5/257
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】撮像レンズと撮像素子を備えた撮像装置の
被写界深度制御装置であって、焦点位置を異ならせる手
段と、上記焦点位置を異ならせる手段を用いて得た複数
枚の焦点位置の異なる画像信号から新たな画像信号を合
成する画像信号を合成する手段とを有し、上記焦点位置
の移動量を撮像レンズの絞り値に連動させて制御するこ
とを特徴とする撮像装置の被写界深度制御装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11006190A JP3429755B2 (ja) | 1990-04-27 | 1990-04-27 | 撮像装置の被写界深度制御装置 |
| US07/689,626 US5282045A (en) | 1990-04-27 | 1991-04-23 | Depth-of-field control apparatus and image pickup apparatus having the same therein |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11006190A JP3429755B2 (ja) | 1990-04-27 | 1990-04-27 | 撮像装置の被写界深度制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0410777A JPH0410777A (ja) | 1992-01-14 |
| JP3429755B2 true JP3429755B2 (ja) | 2003-07-22 |
Family
ID=14526084
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11006190A Expired - Fee Related JP3429755B2 (ja) | 1990-04-27 | 1990-04-27 | 撮像装置の被写界深度制御装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5282045A (ja) |
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