JP4377404B2 - 画像向上機能を備えたカメラ - Google Patents
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Description
この出願は、2003年1月16日に出願された米国予備特許出願第60/440,561号の利益を主張する。この出願は、2001年2月8日に出願された米国特許出願第09/778,849号に関連し、これは、米国特許出願公開第2002/014567A1号として発行された。これらの関連出願は両方とも、参照してここに組み込まれる。
要素に入射する光学放射線に応答して信号を生成するように適合され、ピッチによって特徴づけられる光学検知要素のアレイと、
対物オプチクスであって、光学軸を有し軸を中心とした円筒形対称によって特徴づけられ、且つ、対物オプチクスの最適焦点でアレイのピッチの2倍よりも大きい程度を有する点像分布関数(PSF)を備えたアレイに物体から光学放射線を集中させるように配列される対物オプチクスと、
を含む画像形成装置が設けられる。
開示された実施の形態において、PSFの程度は、ピッチの少なくとも3倍である。
要素に入射する光学放射線に応答して信号を生成するように適合され、ピッチによって特徴づけられる光学検知要素のアレイと、
アレイを含み且つアレイのピッチよりも実質的に大きな横方向寸法を有して中に形成される開口部を有するカメラ本体であって、開口部およびアレイは、物体からの光学放射線が開口部を通り、実質的に光学焦点要素の介入なしでアレイに入射するように、配列されるカメラ本体と、
を含む画像形成装置も設けられる。
特徴的な点像分布関数(PSF)を備えた焦点面に物体から光学放射線を集中させるように配列される対物オプチクスと、
焦点面に位置決めされ且つ要素に入射する光学放射線に応答して信号を生成するように適合される光学検知要素のアレイであって、信号がそれぞれのピクセル値を有するピクセルを含む物体の電子画像に対応するアレイと、
アレイからの信号を受け取るように連結され、アレイの1つまたはそれ以上の不良要素を識別し、PSFへ応答可能なように、不良要素のためにアーチファクトの伝播を減少しながら訂正されたぼけた画像を生成するように入力画像の不良要素の近隣にあるピクセルのピクセル値を修正し、且つ、PSFに基づいて、修復された出力画像を生成するように訂正されたぼけた画像へ逆重畳フィルタを加えるように適合される画像プロセッサと、
を含む画像形成装置が設けられる。
光学システムの設計を生成するステップと、
設計にしたがって光学システムの光学点像分布関数(PSF)を計算するステップと、
設計にしたがって光学システムによって作成された画像へ所与の画像修復機能を加えることによって達成することができる向上したPSFを決定するステップと、
向上したPSFの程度を減少するために光学システムの設計を修正するステップと、
を含む光学システムを作るための方法が、さらに設けられる。
要素に入射する光学放射線に応答して、ピッチによって特徴づけられる光学検知要素のアレイを使用して、信号を生成するステップと、
アレイのピッチの2倍よりも大きい程度を有する点像分布関数(PSF)を備えた光学画像を形成するために、光学軸を有し、軸を中心とした円筒形対称によって特徴づけられる、対物オプチクスを使用してアレイに物体から光学放射線を集中させるステップと、
を含む電子画像形成するための方法が、さらに設けられる。
光検出要素のアレイにおける1つまたはそれ以上の不良要素を識別するステップと、
アレイを使用して物体の、点像分布関数(PSF)によって特徴づけられる、ぼけた入力画像を捉えるステップと、
PSFへ応答可能なように、不良要素のためにアーチファクトの伝播を減少しながら訂正されたぼけた画像を生成するように、ぼけた入力画像の不良要素の近隣にあるピクセルの値を修正するステップと、
PSFに基づいて、修復された画像を生成するように訂正されたぼけた画像へ逆重畳フィルタを加えるステップと、
を含む画像処理用の方法が、さらに設けられる。
追加してまたは代替的に、1つまたはそれ以上の不良要素を識別するステップは、ピクセルの値の間の差を決定するステップと、その差をPSFに依存して最大差と比較するステップと、を含む。
下記は、本発明の明細書および特許請求の範囲に使用される技術用語の非網羅的なリストである。これらの用語は、業界の用語にふさわしい平易な意味にしたがってここに使用されるが、下記の説明および特許請求の範囲を理解するために読者が便利なように下記に挙げられる。
・デテクタアレイのピッチは、アレイの要素の間の中心から中心への距離を意味する。
・円筒形対称は、構造物が、光学軸を有する単レンズまたは複合レンズ等の構造物を説明するいずれの及びすべての回転の角度用に光学軸を中心とした回転下で不変であるようにされる。
・点像分布関数(PSF)、ここではhとして表されており、空間領域における光学システムのインパルス応答であり、すなわち、暗い背景に対する明るい点物体のシステムによって形成された画像である。
・PSFの程度は、PSFの半値全幅(FWHM)である。
・光学伝達関数(OTF)は、周波数領域へのPSFの二次元フーリエ変換である。PSFがOTFに変換されてもよく且つ逆でもよい容易さのために、OTFの計算は、本発明の目的のためにPSFの計算と等価であるとみなされる。
・光学放射線は、スペクトルの可視領域、赤外線領域および紫外線領域のいずれにおける電磁放射線を意味する。
図1Aは、本発明の実施の形態にしたがった、電子画像形成カメラ20の概略側面図である。カメラ20は、業界で公知のように、デテクタ要素24のマトリクスを具備するCCDまたはCMOS画像センサ等の画像センサアレイ22を具備する。物体からの光学放射線、典型的に可視光線は、開口部26を通ってアレイ22に入射し、これは、カメラの対物オプチックとして作用する。モーション装置28は、後述のように、光学ズーム操作の目的で、アレイ22を開口部26へ向けて且つこれから離れて平行移動させるように操作されてもよい。あるいは、モーション装置は、アレイ22ではなく開口部26を平行移動させるように、または、開口部とアレイとの両方を平行移動させるように、連結されてもよい。
画像プロセッサ30は、最初にぼけた画像からノイズを除去した後に、逆重畳フィルタ(DCF)を画像へ加えることによって、カメラ20または44の出力画像のぼけを修正する。DCFは、下記のように複合体PSFhの組織化された逆としてみなされてもよい:
改良された不良ピクセル値を備えた新しいぼけた画像Bi+1を使用して、96で、改良されたぼけ修正された画像ri+1を形成する。ri+1のピクセル値は、下記のように表すことができる:
画像修復用に最適化された光学設計
これらの状況下で、理想画像に対するぼけ修正された画像の可能な逸脱を最小限にする最適DCFが、下記によって与えられる(周波数領域内)ことを示すことができる:
図9は、上述の方法を使用して、本発明の実施の形態にしたがって設計されたオプチクス46の概略側面図である。この実施の形態において、オプチクス46は2つのレンズ130および132を具備し、両方ともポリメチルメタクリレート(PMMA)から作られ、光学軸134に整列配置される。レンズは両方とも円筒形対称であり、レンズ130の左に対して、無限遠で対物面を備えた固定焦点用に設計される。レンズ130は球形であり、直径2.5mm、中心厚さ1.0mm、および、前部および後部の曲率半径はそれぞれ2.12mmおよび6.71mmである。レンズ132は、光学軸でレンズ130の後ろに1.6mmの間隔をおかれ、直径4.5mmおよび厚さ1.2mmである。フィルタ48は、厚さ0.4mmのBK7ガラスを具備し、レンズ132の後ろに0.85mmおよびセンサアレイ22の平面の前に0.78mmで位置決めされる。
レンズ132の前部表面および後部表面は両方とも非球面であり、図7の最適化方法を使用して決定された非球面プロファイルさえ備える。非球面プロファイルを決定するために、レンズ表面プロファイルを規定する関数の係数は、応答マトリクスにパラメータとして含まれる。
言い換えると、勾配値
・オプチクス46のFナンバーは減少されてもよく、より大きな開口部を与え、したがって、良好な光感度を与える。Fナンバーを増加することは、カメラの被写界深度を減少し、したがってPSFを広げるが、これらの影響は、プロセッサ30のぼけ修正機能の畳み込みカーネルの値を広げて調節することによって相殺されてもよい。
・カメラ44によって生成された出力画像の解像度は、匹敵するセンサアレイおよび対物オプチクスを備えた従来のカメラの解像度に対して、プロセッサ30によって向上されてもよい。
・カメラ44は、オプトメカニカル調節なしで、カメラに非常に近い(典型的に5〜30cm)物体を画像形成するために、マクロ操作に切り替えることができてもよい。従来のカメラでは、マクロ操作は、対物レンズの位置に、非常に微細な機械的調節を必要とする。カメラ30では、異なる対物距離が係数を変えることによって達成されてもよく、これは、対物距離でPSFの変化を補正するために前もって計算される。DCF係数は、プロセッサ30によってルックアップテーブルに格納されてもよく、マクロ操作は、ソフトウェアの切替によって呼び出されてもよい。
・オプチクス46の視野は、向上した広角操作のために、増大してもよい。プロセッサ30によって加えられたDCFは、特に、フィールドのエッジでPSFの劣化を補正するために調節されてもよい。
Claims (19)
- ピッチによって特徴づけられる光学検知要素から成り、前記要素に入射する光学放射線に応答してそれぞれのピクセル値を有するピクセルを具備する入力画像を生成する、光学検知要素のアレイと、
対物オプチクスであって、光学軸を有し前記軸を中心とした円筒形対称によって特徴づけられ、且つ、前記対物オプチクスの最適焦点で前記アレイの前記ピッチの2倍よりも大きい程度を有する点像分布関数(PSF)を備えた前記アレイに物体から前記光学放射線を集中させるように配列された1つまたはそれ以上のレンズを具備する対物オプチクスと、
電子画像のぼけを減少させて対象物の電子画像を生成するように、前記PSFに基づいて、前記入力画像へ逆重畳フィルタを掛けることによって前記入力画像を処理するように連結される画像プロセッサと、を具備し、
前記1つまたはそれ以上のレンズの光学特徴は、前記逆重畳フィルタを掛けないときの前記入力画像のぼけ合計を最小にはしないが、前記逆重畳フィルタを掛けたときには前記電子画像のぼけを最小にするように、システム要件に対応して選択されること
を特徴とする画像形成装置。 - 前記PSFの程度は前記ピッチの少なくとも3倍である、請求項1に記載の装置。
- 前記画像プロセッサは、前記アレイの1つまたはそれ以上の不良要素を識別し、訂正されたぼけた画像を生成するように前記入力画像の前記不良要素の近隣にある前記ピクセルの前記ピクセル値を置換値と交換し、且つ、修復された画像を生成するように前記訂正されたぼけた画像へ前記逆重畳フィルタを加える請求項1に記載の装置。
- 前記画像プロセッサは、前記物体と前記アレイとの間の焦点関係の変化へ応答可能なように前記入力画像に加えられる前記逆重畳フィルタを修正する請求項1から3のいずれか一項に記載の装置。
- 前記画像プロセッサは、前記物体が前記対物オプチクスから所定の最小距離よりも小さいときには、マクロ逆重畳フィルタを選択する請求項4に記載の装置。
- 前記画像プロセッサは、新しいぼけた画像を生成するように、前記修復された画像の前記不良要素の近隣にある前記ピクセルの前記ピクセル値を反復して修正し、且つ、減少したぼけを備えた前記電子画像が出力用に生成されるまで、新しい修復された画像を生成するように前記新しいぼけた画像へ前記逆重畳フィルタを加えるように適合される、請求項3に記載の装置。
- 前記画像プロセッサは、前記PSFへ応答可能なように、前記不良要素の前記ピクセル値と交換する置換値を決定するように適合される、請求項3または6に記載の装置。
- 前記画像プロセッサは、前記入力画像を囲繞するダミーピクセルのフレームを加え、且つ、前記ダミーピクセルを前記不良要素に関連したピクセルと同様に扱って、訂正されたぼけた画像を生成し出力用の電子画像を生成する請求項3、7または8のいずれか一項に記載の装置。
- 要素に入射する光学放射線に応答して、ピッチによって特徴づけられる光学検知要素のアレイを使用して、それぞれのピクセル値を有するピクセルを具備する入力画像を生成するステップと、
前記アレイの前記ピッチの2倍よりも大きい程度を有する点像分布関数(PSF)を備えた光学画像を形成するために、1つまたはそれ以上のレンズを具備し、光学軸を有し、前記軸を中心とした円筒形対称によって特徴づけられる、対物オプチクスを使用して前記アレイに物体から前記光学放射線を集中させるステップと、
電子画像のぼけを減少させて対象物の電子画像を生成するように、前記PSFに基づいて、前記入力画像へ逆重畳フィルタを掛けることによって、前記PSFに対応して、前記入力画像を処理するステップと、を具備し、
前記1つまたはそれ以上のレンズの光学特徴は、前記逆重畳フィルタを掛けないときの前記入力画像のぼけ合計を最小にはしないが、前記逆重畳フィルタを掛けたときには前記電子画像のぼけを最小にするように、システム要件に対応して選択されること
を特徴とする電子画像形成するための方法。 - 前記PSFの程度は、前記ピッチの少なくとも3倍である、請求項10に記載の方法。
- 前記入力画像を処理するステップは、前記アレイの1つまたはそれ以上の不良要素を識別するステップと、訂正されたぼけた画像を生成するように、前記入力画像の前記不良要素の近隣にある前記ピクセルの前記ピクセル値を置換値と交換するステップと、修復された画像を生成するように前記訂正されたぼけた画像へ前記逆重畳フィルタを加えるステップとを含む、請求項10に記載の方法。
- 前記逆重畳フィルタを加えるステップは、前記物体と前記アレイとの間の焦点関係の変化へ応答可能なように前記逆重畳フィルタを修正するステップを含む、請求項10から12のいずれか一項に記載の方法。
- 前記逆重畳フィルタを修正するステップは、前記物体が前記対物オプチクスから所定の最小距離よりも小さいときに、マクロ逆重畳フィルタを選択するステップを含む、請求項13に記載の方法。
- 新しいぼけた画像を生成するように、前記修復された画像の前記不良要素の近隣にある前記ピクセルの前記値を修正するステップと、新しい修復された画像を生成するように前記新しいぼけた画像へ逆重畳フィルタを加えるステップと、を反復して行うステップを含む、請求項12に記載の方法。
- 前記入力画像を囲繞するダミーピクセルのフレームを加えるステップを含み、前記ダミーピクセルは、前記訂正されたぼけた画像を生成し且つ前記修復された画像を生成する目的のために、前記不良要素に関連したピクセルと同様に扱われる、請求項12または15に記載の方法。
- 前記値を修正するステップは、前記PSFへ応答可能なように、前記不良要素の近隣にある前記ピクセル値と交換する置換値を決定するステップを含む、請求項12、15または16のいずれか一項に記載の方法。
- 前記1つまたはそれ以上の不良要素を識別するステップは、前記ピクセルの前記値の間の差を決定するステップと、前記差を前記PSFに依存して最大差と比較するステップと、を含む請求項12、15、16、17、または18のいずれか一項に記載の方法。
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