JP4384808B2 - 光学画像用アンチエイリアシング装置および方法 - Google Patents
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Description
(発明の背景)
(発明の分野)
本発明は、画像エイリアシング(aliasing)を縮減するため、検出前に光学画像の空間分解能を低減させる装置および方法に関する。
【0002】
(従来技術の説明)
一般的なカメラにおいて、レンズは、被写体の画像をこの画像が記録されるフィルム上に形成する。ディジタルカメラにおいて、フィルムは、電荷結合素子(CCD)またはCMOSの如き電子検出器に置き換えられる。小さなF値(焦点距離がレンズ径で除算される)を有する理想レンズは、より多くの光を捕捉し、大きなF値を持った理想レンズよりも高い空間分解能の画像を生成する。捕捉される光量は、開口径の2乗に比例して増大し、理論的空間分解能は、開口径に比例して直線的に増大する。
【0003】
しかしながら、捕捉画像の空間分解能は、ある点においてデジタル検出器の空間分解能または検出器要素の間隔により制限される。結果的に、開口寸法の増大は集光される光量を増大するが、撮像システムの全空間分解能を増大させない。実際に、画像検出器の限界が超えた場合、開口寸法の増大に連れて画像が単純により高い分解能をもたらすというよりは、むしろ悪化する可能性がある。これは、大きなレンズ開口が過剰または無駄な空間分解能をもたらし、捕捉画像にエイリアシングを生じさせるためである。
【0004】
エイリアシングは、検出器アレイが記録可能である空間細部よりも詳細な空間細部をレンズが検出器アレイに与える場合に発生する。余された空間細部は、不正確な非詳細情報として出現する。すなわち、画像は、非詳細情報としてマスカレーディング(masquerading)、すなわちエイリアシングに関する詳細情報によってもたらされる誤差を有する。検出器アレイが取り扱うことができる詳細限界は、1ミリメートル当たりの線本数の分解能に置き換えるか、1ミリメートル当たりのサイクル数単位の空間周波数情報に置き換えて通常与えられる。検出器が記録可能である空間細部よりも詳細な空間細部が検出器に与えられる場合、高い空間周波数情報は、低周波数領域に折り返されて画像を損なう。
【0005】
同様の影響は、電話やテレビジョンによってデジタル化されて処理処理される電気通信信号において、このシステムが処理するために行われるよりも高い周波数情報がシステムに与えられた場合に発生する。一般に、サンプル周波数は、信号における最高周波数成分の少なくとも2倍であるべきである。エイリアシングを防止するため、信号がサンプリングされて処理される前に高周波数データ(光学画像中の余分な細部に類似する)を除去するように、低域、すなわちアンチエイリアシングフィルタが用いられる。現在まで、画像が検出器アレイによって検出される前に余分な画像細部を除去するように低域光空間周波数フィルタを設計することは、一般に現実的ではなかった。画像の解像度を低下させるために多くの方法が限定された成功を伴って試みられている。
【0006】
第1の方法は、単に、レンズ開口をより小さくすることである。これは、画像の解像度を減少させるが、そのシステムにより捕捉される光量の縮減を犠牲にする。露光時間または照明レベルは、光の縮減を償うために増大させる必要がある。
【0007】
第2の方法は、米国特許第2,959,105号に開示されると共に図1および図2に示されており、これは不規則な位相ノイズを与えるため、撮像システムの開口絞りの近傍に配置された光学要素1の不規則な同一面上の点または位相ステップ2の使用を教示している。この形式のシステムは、不規則な位相ステップに要求される特定の統計的作業のため、作製することが困難である。同様のシステムが米国特許第4,804,249号に記載されると共に図3に示されており、これは光学要素に対する複数の同一平面光プラトー(plateaus)の使用と、任意の2つのプラトーの高さがその照明の可干渉距離よりも大きく異なり、比較的広帯域照明を必要とすることとを教示しているる。このようなシステムは、作製することが困難であって高価である。
【0008】
第3の一般的な方法は、点像分布関数を複製することであり、単一物点に対して記憶装置において多数の像点を生じ、従って単一物点からの光を2つ以上の(CCD要素の如き)捕捉要素に亙って広げている。このようなシステムの一例は、米国特許第4,989,959号に開示されており、これは所与の物点に対して数個の像点を形成するために角錐構造の使用を教示している。任意の対称要素と同様に、この要素は誤焦点(misfocus)成分を有し、自動焦点システム(すなわち光学/要素の結合システムの空間帯域幅は焦点位置に依存する)を複雑にする可能性がある。図4(従来技術)は、このシステムを例示している。この型式の他のシステムが米国特許第5,555,129号に開示されており、これは点像分布関数の複製セットを形成するため、独立したレンズとして作用する複数の領域を持ったレンズを形成することを教示している。この要素は、狭い範囲の空間周波数のみを減衰させ、高い色依存性がある。図7は、この要素を例示している。
【0009】
図9はこの型式の他のシステムを例示し、このシステムは、Applied Optics 第29巻,第5号(1990年2月10日)の 「エイリアシング産物の抑制のための色依存性光前置フィルタ(Color dependent optical prefilter for the suppression of aliasing artifacts)」と題する論文に開示され、米国特許第4,575,193号に記載されている。このシステムは、所与の物点に対して2つの像点を生成させる(より多数の像点が複数の複屈折結晶を横切ることによって生成させることができる)ため、複屈折結晶(石英などからなる)を利用している。出力光が偏光され、このシステムの適用を制限する。また、これは相当な空間も占有する。この型式のすべてのシステムは、同じ不具合−すなわち各物点に対する数個の像点の生成が狭い範囲の空間周波数のみを減衰させる−を欠点として持つ。より大きな範囲の周波数を減衰させるためにこれらのシステムを拡張することは、ますます複雑であって、作製が困難であり、かさばる要素の使用を必要とする。
【0010】
第4の方法は、故意に画像をぼかすために光ファイバ束を検出器アレイから特定の距離に配置したことに関わる。このファイバ束は、出力と入力とで完全に同じ順序で配置されるファイバを有する必要があり、正確に位置付けされる必要があり、高価であって特注することが困難であり、かなりの空間を必要とする。この型式のシステムの一例は、米国特許第5,299,275号に開示されている。図8は、この特許に教示された構成を示している。要素16は、高い空間周波数成分を減衰させるために多モード光ファイバの位相補正特性を用いる。
【0011】
第5の方法は、特定の空間周波数を減衰させるため、誤焦点または一般的なレンズ収差の意図的な使用に関わる。この型式のシステムの一例は、米国特許第5,438,366号に開示されており、これは単一点(図5に示される)の円板状画像を形成する要素を教示している。この型式のシステムの第2の例は、米国特許第5,270,825号に開示されており、これは高空間周波数(図6に示される)を減衰させるために球面収差を利用することを教示している。これら両システムは、対称的であって自動焦点システムを複雑にする誤焦点成分を含むことを意味する。
【0012】
システムによって捕捉される光量の縮減を必要とすることなく、また画像品質に悪影響を与えたり複雑な光学系を必要とすることなく、エイリアシングを防止するため、光学画像の空間分解能を減少させる簡単かつ安価な装置および方法に対する要求がこの技術において残っている。
【0013】
(発明の概要)
本発明の目的は、システムによって捕捉される光量の縮減を必要とすることなく、また画像品質に悪影響を与えたり複雑な光学系を必要とすることなく、エイリアシングを防止するため、光学画像の空間分解能を減少させる簡単かつ安価な装置および方法を提供することである。
【0014】
本発明は、光の高い空間周波数を減衰し、かつ低域アンチエイリアシングフィルタを形成するようにこれを通過する光の波面を選択される湾曲した非対称な形態に修正する。
【0015】
本発明の光アンチエイリアシングフィルタは、被写体と画像捕捉装置とを有する光学系においてとくに有益であり、被写体からの光を集光する手段と、被写体から集光された光の波面を湾曲した非対称な形態に修正する手段と、画像捕捉装置による捕捉のために修正された光を発散する手段とを有する。波面を修正する手段は、捕捉画像が所定の空間周波数帯域範囲外で選択パワー限界よりも小さな光パワーを有すべく抑制されるように、波面を修正すべく構成および配置される。
【0016】
光の波面を修正する手段は、一様ではない厚みを有する光学材料で形成される透過要素と、一様ではない屈折率を持った光学材料で形成される透過要素と、空間光変調器のアレイで形成される透過要素と、透過ホログラフィ要素とを有する多数の透過要素を具えることができる。所望の波面修正が達成される限り、任意の2つ以上のこれらの要素が結合されることができる。さらに、一様ではない屈折率と、一様ではない厚みと、ホログラフィ作用との特性が、任意の組合せで単一の要素に組み込まれることができる。レンズは、これら波面修正要素の何れかを一体的に形成することができる。
【0017】
光の波面を修正する手段は、湾曲反射面を持った光学要素で形成される反射要素か、一様ではない屈折率を持った光学材料で形成され、かつ反射裏面を有する透過要素か、空間光変調器のアレイで形成され、かつ反射裏面を有する透過要素か、あるいは反射裏面を有する透過ホログラムを有する多数の反射要素を具えることができる。さらに、波面修正要素は2つ以上の上記反射要素の結合体を具えることもできる。
【0018】
最後に、波面修正要素は、1つ以上の上記透過要素と1つ以上の上記反射要素との結合体を具えることも可能である。
【0019】
(好ましい実施例の詳細な説明)
図10(従来技術)は、従来の撮像システムを示し、被写体102と、被写体102からの光を集光するためのレンズ104と、被写体102からの光を表す信号をたくさんの値として捕捉するためのCCD110とを具えている。波面108は、CCD110によって見られるようなボウル状凹面であり、レンズ104によってこれが被写体102からの波面を合焦する際に形成される。
【0020】
図11は、光学撮像システムにおいて使用される本発明のアンチエイリアシングフィルタ(または光学マスク)106のブロック図を示す。さらに、被写体102は、レンズ104を介して電荷結合素子(CCD)110によって捕捉される。フィルタ106は、レンズの前方または後方に配置され、波面を湾曲した非対称な形態に修正し、光の高空間周波数を除去し、よって低域フィルタとして作用する。波面に適用される適切な修正を選択する方法は、図26に関連して詳細に記載される。
【0021】
フィルタ106の目的は、システムが捕捉する光量を減少させることなく、および画像品質に悪影響を与えたり複雑な光学系を必要とすることなく、エイリアシングを防止するため、光学画像の解像度を減少させることである。このフィルタ106は、光の高空間周波数成分を減衰させる形態で湾曲した非対称の波面208を生成するように、フィルタを通過する光の位相を修正することによってこの目的を達成する。本例における波面208は、その近縁が右側(CCD110の方)に変位されると共にその後縁が左側(フィルタ106の方)に変位されるためにポテトチップに似ている。このポテトチップ形状は、光がCCD110に合焦されている際に幾分ボウル状(図10と同様)でもある。
【0022】
CCD110は、ここで記述される実施例では画像捕捉装置として使用されるが、CMOSやデジタル検出手段を有する他の画像検出器が同様に使用されることができる。
【0023】
図12は、本発明による反射アンチエイリアシング低域フィルタ306を有する本発明による撮像システムを示す。
【0024】
図13は、図11の透過アンチエイリアシング低域フィルタ106の第1実施例106aを示す。フィルタ106aは、受動光学機器であり、具体的には(これを通過する光の通過方向に測定される)厚みの湾曲変化を有する屈折を基にした光学装置であり、インコヒーレント撮像システム(図10に示される如き)にて光の波面に配置された場合、所定の限界を超えたすべての空間周波数に対し、ある所望の小レベルよりも低い値に空間周波数を有効に減衰させる。この所定の限界は、撮像検出器(この場合CCD110)の最大空間周波数に概ね関連する。フィルタの厚みの変化は、波面の位相の変化を生じさせ、画像の空間分解能を減少させる。
光の波面を修正する手段は、湾曲反射面を持った光学要素で形成される反射要素か、一様ではない屈折率を持った光学材料で形成され、かつ反射裏面を有する透過要素か、空間光変調器のアレイで形成され、かつ反射裏面を有する透過要素か、あるいは反射裏面を有する透過ホログラムを有する多数の反射要素を具えることができる。さらに、波面修正要素は2つ以上の上記反射要素の結合体を具えることもできる。
【0025】
フィルタ106aは、例えば光学研磨,成型,鋳造または圧縮により、光学ガラスまたはプラスチックから形成される。
【0026】
図14は、図12の反射アンチエイリアシング低域フィルタ306の第1実施例306aを示す。フィルタ306aは鏡面を具え、インコヒーレント撮像システム(図10に示される如き)にて光の波面の光路に配置された場合、所定の限界を超えたすべての空間周波数に対し、ある所望の小レベルよりも低い値に空間周波数を有効に減衰させる。フィルタ306aによって生成される波面308aは、図13の透過フィルタ106aによって生成される波面208aと同一の特性を有する。
【0027】
図15は、図11の透過アンチエイリアシング低域フィルタ106の第2実施例106bを示す。フィルタ106bは、フィルタ106aと同様に、波面208bを形成するように被写体102からの光の波面を修正する。しかしながら、フィルタ106bは、均一な厚みを有するが空間的に一様ではない屈折率の光学材料から形成される。従って、波面208bは、図13の波面208aと同一特性を有する。
【0028】
図16は、図12の反射アンチエイリアシング低域フィルタ306の第2実施例306bを示す。フィルタ306bは、図15のフィルタ106bと同様に、一様な厚みであるが空間的に一様ではない屈折率を有する光学材料から形成される。これは、光が右側から入射し、フィルタ306bをいったん通過し、裏面で反射し、2度目のフィルタ306bを通過し、波面308bと共に出射するように、反射裏面320をさらに有する。屈折率の変化は、フィルタ306bの二重光路を考慮に入れて選択されなければならない。
【0029】
図17は、図11の透過アンチエイリアシング低域フィルタ106の第3実施例106cを示す。フィルタ106cは、所望の波面208cを生成するような方法でこれらを通過する光の位相に影響を与える空間光変調器(SLM)のアレイを具える。波面208cは、図13〜図16で生成される波面と同一には湾曲しないけれども、SLMアレイ106cが非常に多数の要素を有するという事実は、有効に湾曲した波面208cを生成することを可能にする。
【0030】
図18は、図12の反射アンチエイリアシング低域フィルタ306の第3実施例306cを示す。フィルタ306cは、反射面330によって裏打ちされる空間光変調器(SLM)のアレイを具える。SLMは、所望の波面308cを生成するような方法でこれらを通過する光の位相に影響を与える。フィルタ306cを設計する際に、各SLMを通る二重光路に注意する必要がある。波面308cは、図17のフィルタ106cの場合と同様に連続的に湾曲しないが、効果的に湾曲される。
【0031】
図19は、図11の透過アンチエイリアシング低域フィルタ106の第4実施例106dを示す。フィルタ106dは回折フィルタであり、フィルタ106aの如き回折フィルタを設計し、つまりNが整数であってλが照明波長であるN*λを法としてこれを作製することにより形成される。換言すれば、ある高さ(光の波長の倍数である高さ)よりも上の106dのフィルタの部分は、下に折り返される。これは、106dのフィルタよりも厚みが薄いけれども、狭い帯域の光周波数に対してのみ有益なフィルタを生ずる。フィルタ106dを通過する光は波面208dを形成する。
【0032】
図20は、図11の透過アンチエイリアシング低域フィルタ106の第5実施例106eを示す。フィルタ106eは、所望の波面208eを生成するように設計された透過ホログラフィ要素である。任意の所望の波面を生成する透過ホログラフィ要素を設計するための技術は、当業者にとって周知である。ホログラムは、レンズ104の効果を同時に有することができ、その要素に対する必要性を排除する。
【0033】
図21は、図12の反射アンチエイリアシング低域フィルタ306の第4実施例306dを示す。フィルタ306dは、フィルタ306aの如き反射フィルタを設計し、Nが整数であってλが照明波長であるN*λを法としてこれを作製することにより形成される。フィルタ306dからの反射光は、波面308dを形成する。
【0034】
図22は、図12の反射アンチエイリアシング低域フィルタ306の第5実施例306eを示す。フィルタ306eは、所望の波面308eを生成するように設計された反射ホログラフィ要素である。任意の所望の波面を生成する反射ホログラフィ要素を設計するための技術は、当業者にとって周知である。このホログラムは、鏡304の効果を同時に有し、その要素に対する必要性を排除する。
【0035】
図23は、2つのフィルタ要素106fおよび106gを組み合わせた図11の透過アンチエイリアシング低域フィルタ106の第6実施例を示す。当業者は、結果として生ずる波面が所望の特性を有する限り、上記の透過または反射要素の任意の2つ以上を組み合わせ可能であることを認識しよう。この場合、要素106fは均一な厚みと空間的に一様ではない屈折率とを有し、要素106gは均一な屈折率と一様ではない厚みとを有する。両方の要素を通過する光は、波面208fを有する。一様ではない厚みと一様ではない屈折率との特徴が単一要素にも組み入れられることに注意されたい。
【0036】
図24は、2つのフィルタ要素306fおよび306gを組み合わせた図12の反射アンチエイリアシング低域フィルタ306の第6実施例を示す。要素306fは均一な厚みと空間的に一様ではない屈折率とを有し、要素306gは均一な屈折率と一様ではない厚みとを有する。さらに、要素306fは反射裏面331を有する。光は、右側から要素306gを通過し、要素306fを通過し、表面331で反射し、要素306fおよび306gを通って戻り、波面308fを形成する。
【0037】
図25は、フィルタ要素106hをレンズ104bと組み合わせた図11の透過アンチエイリアシング低域フィルタ106の第7実施例を示す。レンズ104bは図11のレンズ104の代わりに存在できるし、または両方を使用することができる。フィルタ106hは光の位相に影響を与えると同時に、レンズ104bが光を合焦して波面208gを形成する。当業者は、ここで記載された他のフィルタがレンズと組み合わせることも可能であり、かつレンズが屈折または回折できることを認識しよう。
【0038】
図26は、図13の透過フィルタ106aのより詳細なプロットを示す。図26は、アンチエイリアシングフィルタ106aの等角図である。h=OPD*λ/(n−1)であり、ここでλが波長であってnが屈折率であることに注意されたい。一般に、光は、フィルタ106aの上面または底面の何れか一方に入射することができる。フィルタ106aは、図27に示されたCCD110aと一緒に機能するように特に設計される。設計プロセスは、次の例により明らかにされる。
【0039】
この光学系は、4.5のF値を持った焦点距離が11mmの理想回折制限レンズと、図2のCCD108とを有する。その帯域範囲は、CCD108の垂直および水平方向の最大空間周波数と一致するように選択される。この例のために選択される制約により、これら空間周波数帯域範囲外のサンプルMTFの振幅は、MTF(またはMTF(0,0))の最大値の15%を超えないことが要求される。
【0040】
図27は、光学画像をデジタル記録するための電荷結合素子(CCD)アレイ110の具体例を示す。この特定なCCD(横が600で縦が1600の映像画素を有する)は、ポラロイド社から市販されており、本発明の概念の好適な実例をもたらす。この例のため、縦列のCCDが同一色の連続画素で作られ、3列毎に同一色を有するカラーCCD110が画像捕捉装置として使用される。従って、垂直方向における空間分解能の必要な減少は、水平方向とは異なっている。
【0041】
縦列502は連続赤色画素508で作られ、縦列504は連続緑色画素510で作られ、縦列506は連続青色画素512で作られている。画素長は、12ミクロンであり、その幅は6ミクロンである。各色に対する垂直方向の充填比は約99%であり、各色に対する水平充填比は約33%である。ほぼ100パーセントの充填比により、垂直方向のサンプリングは、典型的なグレースケール画像サンプリングを一般に示す。換言すれば、各画素は、その前方にその色の光のみの通過を可能とするカラーフィルタを有し、使用中の画素は、垂直に隣接する。各色に対する30パーセントの充填比により、水平方向のサンプリングは、使用中の画素が空間的に分離される典型的なカラー画像のサンプリングを一般に示す。
【0042】
この例の目標は、水平および垂直CCD帯域範囲(それぞれ27.7lp/mmと41.6lp/mm)以上で測定されるOTF振幅(MTF)を0.15よりも小さく達成するか、等価的に同じ水平および垂直CCD帯域範囲以上で測定されるサンプル空間周波数パワー|OTF|2を0.152すなわち0.025よりも小さく達成することである。
【0043】
ゼロ空間周波数におけるMTFの値、すなわち|H(0,0)|が単一であると定義される。CCD画素は12×6ミクロンの大きさに作られ、図27に示されるように配置される。設計波長は0.5ミクロンであり、システムのF値はF/4.5である。レンズの理論的カットオフ空間周波数は、1/(ラムダ* F値)=444.4lp/mmである。
【0044】
全システム応答を水平方向に27.7lp/mm、垂直方向に41.6lp/mmよりも劇的に減少させる目標は、波面P(x,y)=exp(jp(x,y))を形成する関数p(x,y)と、選択された特定の検出器を使用した場合のこれらの仕様を満足する対応するOTF H(u,v)とを設計することにより達成される。これらの仕様を満足する1つの関数p(x,y)は、
p(x,y)=y3(a+b)+yx2(3a−b)
x2+y2≦1
a,bは実数
により与えられる。
【0045】
定数aおよびbは、光学系の水平および垂直空間周波数帯域幅を制御するために選択される。b=−3aの場合には、円対称MTFが結果として生ずる。このMTFは、
【0046】
【数1】
【0047】
ここでr2=u2+v2
として近似可能である。
【0048】
定数「a」の選定により、ある空間周波数限界を超えたMTFの値は、必要なだけ小さくすることができる。図27の特定なCCD110に対し、a=10およびb=−22の選定は、正規化関数
p(x,y)=12y3−52yx2
x2+y2≦1
という結果になる。
【0049】
次に、正規化空間座標に対応する波面は、
【0050】
【数2】
【0051】
x2+y2≦1
【0052】
【数3】
【0053】
ここで、
λ=照射光の波長
【0054】
【数1】
【0055】
によって与えられる。
【0056】
正規化空間座標から物理単位へ変換するため、位相関数p(x,y)はその最大位相変位が一定に保持されるように一定の基準で決められる。
【0057】
この関数の最大位相変位は、5.7波長である。図30に示されるように、この位相関数は、選択検出器の幾何学的形状に対する自然CCD空間平均化と結合して、すべての空間周波数を指定設計限界内に減衰させる。非常に小さな空間周波数パワーが水平および垂直空間周波数帯域範囲の外に存在する。
【0058】
図28〜図30は、アンチエイリアシング対策および従来技術のアンチエイリアシング装置を利用した同様の撮像システムに対して本発明の性能を比較したものである。図28は、アンチエイリアシングフィルタのない図10に示されたものと同様の光学撮像システムに対する振幅対空間周波数のプロットを示す。図29は、従来技術のアンチエイリアシングフィルタを利用した光学系に対する同様のプロットを示す。図30は、図13および図24に示されたアンチエイリアシングフィルタ106aを利用した光学系に対する振幅対空間周波数のプロットを示す。
【0059】
図28は、1画素上の小点に合焦する光の理想例に対して、CCD110によって捕捉された信号の空間周波数に対する光強度のプロット602および608を示す。これは、回折限定レンズ104のMTFと等価であり、この例において、4.5のf値を持った焦点距離が11mmの理想的な回折限定レンズであり、CCD110の空間平均化効果を有する。
【0060】
また、エイリアシングを発生しない仮定CCDに対する垂直空間周波数帯域範囲606と水平空間帯域範囲604とが示される。図27は、同一色画素の間の水平間隔が、単一画素の幅の3倍であることを示す。垂直間隔は、単一画素の高さに等しい。このため、水平帯域範囲604は、垂直帯域範囲606よりも密である。必要な帯域範囲外側に有意MTFパワーがあるため、レンズ/CCD結合体がそのまま使用された場合には著しく多量のエイリアシングが発生する。
【0061】
この理想事例は、(光信号を捕捉するCCD画素の固有空間平均化を除き)固有低域フィルタリングがシステムにおいて発生しないと仮定すると、非現実的である。例えば、物理的収差レンズは、ある低域フィルタリング特性を固有的に所有する。この例は、エイリアシングが非常に顕著であるため、本発明の好適な例証である。
【0062】
プロット608は、(2次元OTFの中心を通る垂直部分に関し)垂直空間周波数に対する光強度を示し、プロット602は、関連する水平空間周波数のプロットである。水平方向の低充填比と水平方向の広域サンプリング周期(特定関係に対して式9を参照)の組合せのために、水平プロット602は、垂直プロット608よりもずっと広域である。さらに、水平方向における単一カラー画素間の中心間距離は垂直方向よりも大きいため、水平帯域範囲604は、垂直帯域範囲606よりも密である。
【0063】
図29(従来技術)は、従来技術のアンチエイリアシングフィルタ(1990年2月10日の Applied Optics 第29巻,第5号に J. E. Greivenkamp になる「エイリアシング産物の抑制のための色依存性光前置フィルタ(Color dependent optical prefilter for the suppression of aliasing artifacts)」に記載)を用いた理想的な事例に対して、CCD110の空間平均化効果を有するCCD110により捕捉された信号の空間周波数に対する光強度のプロット612,618を示す。この従来技術のフィルタは、基本的に、図9に示された要素の内の2つを使用し、物点毎に4つの像点を形成するように交差される。
【0064】
この型式の低域フィルタ近似は、複屈折結晶を交差させ、実際に、CCDに向かって通過する1つの光線を4つの光線に変換する。結晶の厚みを介した光線間の距離を選定することにより、いろいろな正弦波型式の低域フィルタ近似が形成される。このシミュレーションに対して使用された特定型式は、空間周波数において正弦波を近似し、正弦波の最初のゼロがサンプリング周波数に一致する。さらに、この型式の低域フィルタでは、相当量の空間周波数パワーがサンプリング後にエイリアシングされることを可能にする。
【0065】
プロット612は、垂直方向に対する強度対空間周波数のプロットであり、プロット618は、水平方向に対する強度対空間周波数のプロットである。水平方向の低充填比と水平方向の広域サンプリング周期の組合せのために、水平プロット508は、垂直プロット612よりもずっと広域である。さらに、水平方向における単一カラー画素間の中心間距離は垂直方向よりも大きいため、水平帯域範囲614は、垂直帯域範囲616よりも密である。
【0066】
図30は、本発明によるアンチエイリアシングフィルタを活用する光学系に対する振幅対空間周波数プロットを示す。アンチエイリアシングフィルタ106aは、図26に示される。図30は、図24のアンチエイリアシングフィルタ106aを与えた図3の理想的な事例に対し、(CCD110の空間平均化効果を含む)CCD110により記憶された信号の空間周波数に対する光強度のプロット622,628を示す。図30は、アンチエイリアシングフィルタ106aによる修正後のCCD空間平均化を有する例示のレンズの水平および垂直MTFを示す。図28および図29と比較すると、非常にわずかな周波数パワーしか、帯域範囲624,626の外に存在しない。
【0067】
図31は、2つの絞り開口位置を備えたシステムにおいて使用される図11の透過アンチエイリアシング低域フィルタ106の第8透過実施例106iを示す。一般に、多数の離散開口絞りにおいて動作するアンチエイリアシングフィルタは、一連のリング状構造から成る。例えば、全開口と半開口において動作するアンチエイリアシングフィルタが必要であると仮定する。位相関数p(x,y)の1つの形態は、
【0068】
【数5】
【0069】
ここで、a1,b1,a2,b2は実定数
である。
【0070】
定数a1,b1,a2およびb2の選択により、全開口位置と半開口位置とを用いるシステムに対する所望の水平および垂直空間周波数帯域幅が獲得される。簡便性のため、用いられるデジタル検出器は、水平および垂直方向において対称的であると仮定する。このとき、円対称OTFが使用され、そして定数b1およびb2は、b1=−3a1、b2=−3a2として選択される。2開口アンチエイリアシングフィルタの空間正規化形式は、極座標において
【0071】
【数6】
【0072】
として記述される。
【0073】
半開口位置において、定数a1は、所望の対称水平および垂直空間周波数帯域幅を与えるように選択される。定数a2は、全開口を使用する時、a1を固定して所望の空間周波数帯域幅を再び与えるように選択される。この手順は、任意の数の開口位置で動作するアンチエイリアシングフィルタを設計するように拡張される。
【0074】
図31において、フィルタ106iは、図19のフィルタ106dに類似する内側円形部分と、その中心を移動したフィルタ106dの大きなバージョンに類似する外側リング形状部分とを具えている。
【0075】
本発明の典型的な好ましい実施例が詳細にここに記載されたけれども、当業者は、これらの具体的に述べた以外にも、この発明の精神内にある種々の変形,追加および応用を認識しよう。例えば、波面の所望の位相変化が達成される限り、フィルタの上面および底面は変更してもよい。さらに、ある振幅フィルタリング(ここに記載された位相フィルタリングに加えて)は光の損失が許容される場合、画像空間分解能の減少を助長する場合があるかも知れない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来技術のアンチエイリアシングシステムを示す。
【図2】 従来技術のアンチエイリアシングシステムを示す。
【図3】 従来技術のアンチエイリアシングシステムを示す。
【図4】 従来技術のアンチエイリアシングシステムを示す。
【図5】 従来技術のアンチエイリアシングシステムを示す。
【図6】 従来技術のアンチエイリアシングシステムを示す。
【図7】 従来技術のアンチエイリアシングシステムを示す。
【図8】 従来技術のアンチエイリアシングシステムを示す。
【図9】 従来技術のアンチエイリアシングシステムを示す。
【図10】 従来の撮像システムを示す。
【図11】 本発明による透過アンチエイリアシング低域フィルタを含む本発明による撮像システムを示す。
【図12】 本発明による反射アンチエイリアシング低域フィルタを含む本発明による撮像システムを示す。
【図13】 図11の透過アンチエイリアシング低域フィルタの第1実施例を示す。
【図14】 図12の反射アンチエイリアシング低域フィルタの第1実施例を示す。
【図15】 図11の透過アンチエイリアシング低域フィルタの第2実施例を示す。
【図16】 図12の反射アンチエイリアシング低域フィルタの第2実施例を示す。
【図17】 図11の透過アンチエイリアシング低域フィルタの第3実施例を示す。
【図18】 図12の反射アンチエイリアシング低域フィルタの第3実施例を示す。
【図19】 図11の透過アンチエイリアシング低域フィルタの第4実施例を示す。
【図20】 図11の透過アンチエイリアシング低域フィルタの第5実施例を示す。
【図21】 図12の反射アンチエイリアシング低域フィルタの第4実施例を示す。
【図22】 図12の反射アンチエイリアシング低域フィルタの第5実施例を示す。
【図23】 2つのフィルタ要素を組み合わせた図11の透過アンチエイリアシング低域フィルタの第6実施例を示す。
【図24】 2つのフィルタ要素を組み合わせた図12の反射アンチエイリアシング低域フィルタの第6実施例を示す。
【図25】 レンズ付きフィルタ要素を組み合わせた図11の透過アンチエイリアシング低域フィルタの第7実施例を示す。
【図26】 図13の透過フィルタのより詳細なプロットを示す。
【図27】 光学画像をデジタル的に記録するための図11および図12の電荷結合素子(CCD)アレイの一例を示す。
【図28】 1画素に限定された光の理想化された一例のため、CCDにより捕捉された信号の空間周波数に対する光強度のプロットを示す。
【図29】 従来技術のアンチエイリアシングフィルタを用いる理想化された一例のため、CCDにより捕捉された信号の空間周波数に対する光強度のプロットを示す。
【図30】 図13および図26のアンチエイリアシングフィルタを用いる理想化された一例のため、CCDにより捕捉された信号の空間周波数に対する光強度のプロットを示す。
【図31】 2つの絞り開口位置を持つシステムで用いられるため、図11の透過アンチエイリアシング低域フィルタの第8透過実施例を示す。
Claims (29)
- 画像捕捉装置(110)とこの画像捕捉装置による捕捉のための光を透過させる手段とを含む光学系にて用いられる光学アンチエイリアシングフィルタ(106,306)であって、このフィルタは、
被写体から捕捉された光の波面を前記光学系の光軸に関して非対称に修正するための手段を具え、
光の波面を修正するための前記手段は、前記光学系の光軸に関して非対称に湾曲して変化する該フィルタの構成パラメーターを含み、捕捉された前記光が選択された空間周波数帯域幅外の光強度を選択された値よりも小さく制限するように前記波面を修正することを特徴とする光学アンチエイリアシングフィルタ。 - 光の波面を修正するための前記手段が一様ではない厚みを持った光学材料(106a,106d)から形成した透過要素を具え、この透過要素は、前記被写体からの光路中に配置されて前記被写体からの光がこれを通過する際に前記被写体からの光の位相を修正することを特徴とする請求項1に記載のフィルタ。
- 光の波面を修正するための前記手段が一様ではない屈折率を持った光学材料(106b)から形成した透過要素を具え、この透過要素は、前記被写体からの光路中に配置されて前記被写体からの光がこれを通過する際に前記被写体からの光の位相を修正することを特徴とする請求項1に記載のフィルタ。
- 光の波面を修正するための前記手段が空間光変調器(106c)のアレイから形成した透過要素を具え、この透過要素は、前記被写体からの光路中に配置されて前記被写体からの光がこれを通過する際に前記被写体からの光の位相を修正することを特徴とする請求項1に記載のフィルタ。
- 光の波面を修正するための前記手段が透過ホログラフィ要素(106e)を具え、この透過ホログラフィ要素は、前記被写体からの光路中に配置されて前記被写体からの光がこれを通過する際に前記被写体からの光の位相を修正することを特徴とする請求項1に記載のフィルタ。
- 光の波面を修正するための前記手段は、
一様ではない厚みを持った光学材料(106g,306g)からなる要素と、
一様ではない屈折率を持った光学材料(106f,306f)からなる要素と
から形成した透過要素を具えていることを特徴とする請求項1に記載のフィルタ。 - 光の波面を修正するための前記手段が2つの透過要素(106)の組み合わせを具え、各透過要素は、
(a)一様ではない厚みを持つ光学材料(106a,106d)を具えた要素と、
(b)一様ではない屈折率を持つ光学材料(106b)を具えた要素と、
(c)透過ホログラフィ要素(106e)と、
(d)空間光変調器(106c)のアレイと
のグループから選択され、この組み合わせは、前記被写体からの光がこれらを通過する際に前記被写体からの光の位相を修正することを特徴とする請求項1に記載のフィルタ。 - 光の波面を修正するための前記手段が一様ではない厚みと一様ではない屈折率とを持った光学材料から形成した透過要素(106)を具え、前記被写体からの光がこれらを通過する際に前記被写体からの光の位相を修正することを特徴とする請求項1に記載のフィルタ。
- 光の波面を修正するための前記手段は、一様ではない厚みを有すると共に透過ホログラムを含む光学材料から形成した透過要素(106)を具え、前記被写体からの光がこれを通過する際に前記被写体からの光の位相を修正することを特徴とする請求項1に記載のフィルタ。
- 光の波面を修正するための前記手段は、一様ではない屈折率を有すると共に透過ホログラムを含む光学材料から形成した透過要素(106)を具え、前記被写体からの光がこれを通過する際に前記被写体からの光の位相を修正することを特徴とする請求項1に記載のフィルタ。
- 前記透過要素は、これに表面が重ね合わされるレンズ(104b)をさらに有することを特徴とする請求項2に記載のフィルタ。
- 前記透過要素は、これに表面が重ね合わされるレンズ(104b)をさらに有することを特徴とする請求項3に記載のフィルタ。
- 前記透過要素は、これに表面が重ね合わされるレンズ(104b)をさらに有することを特徴とする請求項4に記載のフィルタ。
- 前記透過要素は、これに表面が重ね合わされるレンズ(104b)をさらに有することを特徴とする請求項5に記載のフィルタ。
- 前記透過要素は、これに表面が重ね合わされるレンズ(104b)をさらに有することを特徴とする請求項8に記載のフィルタ。
- 前記透過要素は、これに表面が重ね合わされるレンズ(104b)をさらに有することを特徴とする請求項9に記載のフィルタ。
- 前記透過要素は、これに表面が重ね合わされるレンズ(104b)をさらに有することを特徴とする請求項10に記載のフィルタ。
- 光の波面を修正するための前記手段が反射曲面を有する光学材料(306a,306d)から形成した反射要素を具え、この反射要素は、前記被写体からの光の経路に配置されて前記被写体からの光を反射する際に前記被写体からの光の位相を修正することを特徴とする請求項1に記載のフィルタ。
- 光の波面を修正するための前記手段が一様ではない屈折率と反射裏面とを有する光学材料から形成した透過要素(306b)を具え、この透過要素は、前記被写体からの光の経路に配置されて前記被写体からの光が当該透過要素を通過し、前記反射裏面で反射して該透過要素を再び通過する際に前記被写体からの光の位相を修正することを特徴とする請求項1に記載のフィルタ。
- 光の波面を修正するための前記手段は、空間光変調器のアレイから形成されると共に反射裏面を有する透過要素(306c)を具え、この透過要素は、前記被写体からの光の経路に配置されて前記被写体からの光が当該透過要素を通過し、前記反射裏面で反射して該透過要素を再び通過する際に前記被写体からの光の位相を修正することを特徴とする請求項1に記載のフィルタ。
- 光の波面を修正するための前記手段が反射裏面を有する透過ホログラムから形成した透過要素(306e)を具え、この透過要素は、前記被写体からの光の経路に配置されて前記被写体からの光が当該透過要素を通過し、前記反射裏面で反射して該透過要素を再び通過する際に前記被写体からの光の位相を修正することを特徴とする請求項1に記載のフィルタ。
- 光の波面を修正するための前記手段が2つの反射要素の組み合わせを具え、各反射要素は、
(a)曲面を持つ反射要素(306a,306d)と、
(b)一様ではない屈折率および反射裏面を持つ光学材料(306b)から形成した要素と、
(c)反射裏面を持つ透過ホログラフィ要素(306e)を具えた要素と、
(d)反射裏面を持つ空間光変調器(306c)のアレイを具えた要素と
のグループから選択され、前記組み合わせは、前記被写体からの光が各要素から順番に反射される際に前記被写体からの光の位相を修正することを特徴とする請求項1に記載のフィルタ。 - 光の波面を修正するための前記手段が光の経路に配置される2つの要素の組み合わせを具え、各要素は、
(a)光を反射する際に光の位相を修正する曲面を持った反射要素(306a,306d)と、
(b)一様ではない屈折率ならびに反射裏面を有する光学材料(306b)から形成され、光がこの光学材料を通過し、前記反射裏面で反射して再び当該光学材料を通過する際に光の位相を修正するための要素と、
(c)反射裏面を有する透過ホログラフィ要素(306e)を具え、光がこの透過ホログラフィ要素を通過し、前記反射裏面で反射して再び当該透過ホログラフィ要素を通過する際に光の位相を修正するための要素と、
(d)反射裏面を有する空間光変調器(306c)のアレイを具え、光がこのアレイを通過し、前記反射裏面で反射して再び当該アレイを通過する際に光の位相を修正するための要素と、
(e)一様ではない厚みを持った光学材料を具え、光がこの光学材料を通過する際に光の位相を修正するための要素(106a,106e)と、
(f)一様ではない屈折率を持った光学材料(106b)を具え、光がこの光学材料を通過する際に光の位相を修正するための要素と、
(g)光が通過する際に光の位相を修正するための透過ホログラフィ要素(106e)と、
(h)光が通過する際に光の位相を修正するための空間光変調器(106c)のアレイと
のグループから選択されることを特徴とする請求項1に記載のフィルタ。 - インコヒーレント光学系を通過した光から形成される画像の空間解像度を減少させる方法であって、
前記光学系を介して画像位置(110)に前記画像を形成するために光を通過させるステップと、
前記インコヒーレント光学系の光軸に関して非対称に湾曲して変化するように光の波面の位相に影響を与える位相影響付与ステップと、
影響を受けた前記光から前記画像を前記画像位置に捕捉するステップと
を具え、前記位相影響付与ステップにおいて、捕捉された前記画像のスペクトルは、選択された値以下に制限されたその光強度を予め設定した空間周波数帯域幅外に有するようになっていることを特徴とする方法。 - 前記位相影響付与ステップが光の位相を修正するための透過要素(106)に光を通過させるステップを具え、これにより前記波面を修正することを特徴とする請求項24に記載の方法。
- 前記位相影響付与ステップが光の位相を修正するための反射要素(306)から光を反射させるステップを具え、これにより前記波面を修正することを特徴とする請求項24に記載の方法。
- 画像捕捉装置(110)とこの画像捕捉装置による捕捉のための光を透過させる手段とを含む光学系にて用いられる光学アンチエイリアシングフィルタ(106,306)であって、このフィルタは、
物体から捕捉された光の波面を前記光学系の光軸に関して非対称に修正するための手段を具え、当該手段は、捕捉された光が選択された空間周波数帯域幅外の光強度を選択された値よりも小さく制限するように前記波面を修正し、
波面を修正するための前記手段は、内側の円形部と、この内側の円形部のまわりに配される少なくとも1つの同心リング形状部とを具えた構成体を含み、フィルタが全開位置と少なくとも1つの絞り開口位置とに操作されることを可能にすることを特徴とするフィルタ。 - フィルタの前記構成体の各部の位相関数が3次位相関数であることを特徴とする請求項27に記載のフィルタ。
- 前記少なくとも1つの絞り開口位置が半開位置であることを特徴とする請求項27に記載のフィルタ。
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