JP5139840B2 - 撮像装置、画像生成方法、および電子機器 - Google Patents
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特に、デジタルカメラに象徴されるように撮像面は従来のフィルムに変わって固体撮像素子であるCCD(Charge Coupled Device),CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサが使用されているのが大半である。
この撮像レンズ装置1は、光学系2とCCDやCMOSセンサ等の撮像素子3とを有する。
光学系は、物体側レンズ21,22、絞り23、および結像レンズ24を物体側(OBJS)から撮像素子3側に向かって順に配置されている。
図17(A)〜(C)は、撮像レンズ装置1の撮像素子3の受光面でのスポット像を示している。
また、伝達関数を用いたフィルタ処理を行うデジタルカメラの自動露出制御システムが提案されている(たとえば特許文献6参照)。
"Wavefront Coding;jointly optimized optical and digital imaging systems",Edward R.Dowski,Jr.,Robert H.Cormack,Scott D.Sarama. "Wavefront Coding;A modern method of achieving high performance and/or low cost imaging systems",Edward R.Dowski,Jr.,Gregory E.Johnson.
したがって、単焦点でのレンズではともかく、ズーム系やAF系などのレンズでは、その光学設計の精度の高さやそれに伴うコストアップが原因となり採用するには大きな問題を抱えている。
換言すれば、従来の撮像装置においては、適正なコンボリューション演算を行うことができず、ワイド(Wide)時やテレ(Tele)時のスポット(SPOT)像のズレを引き起こす非点収差、コマ収差、ズーム色収差等の各収差を無くす光学設計が要求される。
しかしながら、これらの収差を無くす光学設計は光学設計の難易度を増し、設計工数の増大、コスト増大、レンズの大型化の問題を引き起こす。
図2(A)〜(C)は、情報コードの例を示す図である。
図3は、図1の情報コード読取装置に適用される撮像装置の構成例を示すブロックである。
情報コード読取装置100は、本体110に形成された読取開始スイッチが操作されると、それをトリガとして、情報コードの読み取りを、たとえばデコード判定で可となればそれをデコード結果とする機能を有している。
本実施形態に係る撮像装置200は、光学系210に焦点位置を変化させるために二周波駆動型液晶素子(液晶レンズ)を適用することにより、二周波駆動型液晶素子を持たない通常光学系よりも擬似的に深度を拡張することが可能に構成されている。
具体的には、二周波駆動型液晶素子(レンズ)を駆動させて遠側ピントと近側ピントを瞬時に切り替えることで被写界深度を擬似的に拡張する。
また、撮像装置200は、二周波駆動型液晶素子の焦点距離を可変としてレンズパワーを変化させて焦点位置を変化させる機能を有する。
すなわち、二周波駆動型液晶素子による遠側ピントと近側ピントの切り替えは液晶レンズの焦点距離を可変とし、レンズパワーの変化によってピント位置を変化させる機能を有する。
また、撮像装置200は、二周波駆動型液晶素子の焦点距離は不変とし、波面の変調によって波面収差ベスト位置を変化させる機能を有する。
すなわち、二周波駆動型液晶素子による遠側ピントと近側ピントの切り替えは液晶レンズの焦点距離は不変とし、波面の変調によってピント位置を変化させる機能を有する。
撮像装置200は、焦点位置の変化に伴う画角変動によって生じる複数画像間の被写体像のサイズの違いを画像処理によって正規化してから合成を行う。
撮像装置200は、合成を前記複数画像のデータを平均することによって行う。
また、撮像装置200は、画像の部分毎に複数画像間で最もコントラストが高いものを選択して合成を行う。
換言すれば、撮像装置200は、二周波駆動型液晶素子による遠側ピントと近側ピントの切り替え時に生じる画角変動を座標変換もしくは画像切り出しにより補正する機能を有する。
また、撮像装置200は、二周波駆動時に、複数枚画像をメモリに格納し、画像処理を行い出力する機能を有する。
図4は、二周波駆動型液晶素子を用いた光学系の第1の構成例を示す図である。
図5は、二周波駆動型液晶素子を用いた光学系の第2の構成例を示す図である。
第1の構成例の光学系210Aは、二周波駆動型液晶素子212をレンズ面のパワーの強い面(図4の例では、第1レンズ211の像面側面、または第2レンズ213の物体側面)に隣接して配置した例である。
第2の構成例の光学系210Bは、二周波駆動型液晶素子212を絞り215に隣接した位置に配置した例である。
以下に、二周波駆動型液晶素子212について詳述する。
二周波駆動型液晶素子(レンズ)212の配置位置としては、図4および図5に示すように、パワーが強いレンズの面に隣接し、もしくは絞り215に隣接して位置していることが好ましい。
レンズ面のパワーが強い面に隣接することのメリットは、二周波駆動型液晶素子212のパワー変動に伴う主点位置の変動を大きくすることができるからである。レンズ面のパワーが弱い面に隣接することに比べて大きく主点位置が動くということは、換言すればより長い撮影距離をとることができる。
さらに二周波駆動型液体素子212の変動面積が小さくなることから、高速化を図ることが可能となる。
絞り215は最も光線が収束しているため二周波駆動型液晶素子212の径を小型化することでできることはもとより、さらに好適にはIR効果を有することでIRカットガラスを別途用意する必要がなくなりコスト削減に繋がる。IR(赤外)カット機能を二周波駆動型液晶素子212に内包し、二周波駆動型液晶素子212を多機能化することもできる。IRの角度特性の影響を小さくするには、絞りに隣接することが好ましい。
中でも、二周波駆動型液晶素子(レンズ)の動作原理は、電界で液晶の配向の向きを変えることにより、二周波駆動型液晶素子212を凸レンズ→平板→凹レンズと変化できる。
ここで、二周波駆動型液晶素子212は、印加電圧の周波数によって誘電率異方性の極性を反転できるため、高周波電界と低周波電界とを交互に印加することにより、液晶の向きを変化できる。
したがって、電界を常に印加した状態で、実効的な屈折率を変化できて、電界を増加させるだけで、応答速度を高速化できる。
さらに実際には、図6に示すとおり電界としては2値だが、レンズのパワーとしては2値の値とならずに連続となる。
画角が変動すると信号が重複しボケた画となってしまう。動画においては、もちろんのこと静止画でもフレームレートが遅いと画角の異なった画像が重複しピントの甘い画となってしまう。
ピント位置が至近側にある場合は図8(A)に示すように、手前にいる人物Hにピントが合い、それより遠い樹木Tや山Mはボケた画像となる。
しかし、二周波駆動型液晶素子(レンズ)212の変化によってピント位置が中距離や遠距離に変わると、図8(B)や(C)に示すように、それぞれ樹木や山に最もピントが合って、それ以外の距離の被写体はボケた画像となる。
そこで、図8(A)〜(C)中に破線BLで示したように、画面内をブロック分割しておき、ブロック毎にそれぞれのピントが合ったタイミングの画像のものを使って、画面全体にピントの合った、即ち深度の深い画像を得ることができる。
よって、人物Hが写っているブロックは図8(A)の画像のものを用いる。
次に樹木Tが写っているブロックについてみると図8(B)の画像のものが最もコントラストが高く、図8(A)、(C)ではそれらより低くなる。
よって、樹木が写っているブロックでは図8(B)の画像のものを採用する。
同様に、山Mが写っているブロックにおいては、図8(C)の画像のものが最もコントラストが高く、図8(B)、(A)の順に低くなっていくことになる。
よって、山Mが写っているブロックは図8(C)の画像のものを用いる。
このようにブロック毎にコントラストが最も高くなるタイミングの画像のものを選択して合体させると、結果として深度の深い画像を得られることになる。
図9において、実線が補正後、破線が補正前の画像を示している。
他の方法としては、たとえば画角変動が小さくピクセルシフトしないような場合は、複数枚の画像を平均化する方法も採用することが可能である。
図10(A)は低もしくは高周波におけるピント状態を示し、図10(B)は図10(A)と異なるピントを焦点距離を変化させるよう形状を変化させた場合を示し、図10(C)は図10(A)と異なるピントを波面収差ベスト位置が変化するように形状を変化させた場合を示している。
1つ目は、図10(B)に示すように、二周波駆動型液晶素子(レンズ)212の焦点距離を変えながらピント位置を調整する場合である。この方法のメリットとしては、ダイナミックにピント位置を変化させることができる。ただし、大きな変化に伴う画角の変動がある。
2つ目として、図10(C)に示すように、焦点距離(曲率)を変えずに、収差をコントロールすることでピント位置を調整する方法である。この方法のメリットは、画角の変動が少ない。ただし、大きな変化が困難なため、ピント調整の幅が狭く撮影距離が図10(B)に比べて伸びない。
この場合、二周波駆動型液晶素子(レンズ)212のパワー変動による大きな主点位置変動効果が期待できる。その反面、感度が強く収差も大きく発生してしまうため、十分な収差補正を行わないと性能が著しく劣化してしまう。
図3においては、撮像素子220を一例としてCCDとして記載している。
タイミングジェネレータ231では、撮像素子220のCCDの駆動タイミングを生成しており、A/Dコンバータ232は、CCDから入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換し、画像処理装置240に出力する。
画像処理置240は、焦点位置の変化に伴う画角変動によって生じる複数画像間の被写体像のサイズの違いを画像処理によって正規化してから合成を行う。
画像処理装置240は、合成を前記複数画像のデータを平均することによって行う。
また、画像処理装置240は、画像の部分毎に複数画像間で最もコントラストが高いものを選択して合成を行う。
換言すれば、画像処理装置240は、二周波駆動型液晶素子212による遠側ピントと近側ピントの切り替え時に生じる画角変動を座標変換もしくは画像切り出しにより補正する機能を有する。
画像処理装置240の処理については後でさらに詳述する。
また、カメラ信号処理部250は、二周波駆動時に、1周期分の複数枚画像をメモリに格納し、画像処理を行い出力する機能を有する。
遠側ピントと近側ピントの切り替えは液晶レンズの焦点距離を可変とし、レンズパワーの変化によってピント位置を変化させる機能を有する。
また、駆動部300は、カメラ信号処理部250の指示に応じて二周波駆動型液晶素子の焦点距離は不変とし、波面の変調によって波面収差ベスト位置を変化させる機能を有する。
すなわち、駆動部300は、カメラ信号処理部250の指示に応じて二周波駆動型液晶素子212による遠側ピントと近側ピントの切り替えは液晶レンズの焦点距離は不変とし、波面の変調によってピント位置を変化させる機能を有する。
ここで、デコード判定を行う(ST3)。ステップST3において、デコード判定が可能な場合(判定OK)には判定結果が正しいものとして(ST4)、処理を終了する。
ステップST3において、デコード判定が良好でない(NG)と判定した場合には、カメラ信号処理部250の制御の下、駆動部300により二周波駆動型液晶素子(レンズ)212の状態を高周波状態とする(ST5)。この初期状態において、情報コード等の画像を取得する(ST6)。
ここで、デコード判定を行う(ST7)。ステップST7において、デコード判定が可能な場合(判定OK)には判定結果が正しいものとして(ST4)、処理を終了する。
ステップST7において、デコード判定が良好でない(NG)と判定した場合には、カメラ信号処理部250の制御の下、駆動部300により二周波駆動型液晶素子(レンズ)212の状態を低周波状態とする(ST8)。この初期状態において、情報コード等の画像を取得する(ST9)。
ここで、デコード判定を行う(ST10)。ステップST10において、デコード判定が可能な場合(判定OK)には判定結果が正しいものとして(ST4)、処理を終了する。
ステップST7において、デコード判定が良好でない(NG)と判定した場合には、判定結果が正しくないものとして(ST11)、処理を終了する。
その状態で画像の取り込み(ST23)、およびメモリへの一時保管を予め決められた回数分(このフローではn回)行う(ST24)。
決められた枚数の画像を取得したら、二周波駆動型液晶素子(レンズ)212の駆動を停止し(ST25)、保管している画像の合成を行って(ST26)、被写界深度の深い画像を生成し、一連の処理を終了する。
このとき、二周波駆動型液晶素子(レンズ)212の切り替えの最低でも1/2周期以上は連続して画像を取り込み、できれば液晶レンズ切り替えによってレンズパワーが最大になるタイミングと最低になるタイミングに画像取り込みのタイミングをシンクロさせると、最大限に深度を拡張することができることになる。
図14(B)の場合のように、二周波駆動型液晶素子(レンズ)212の状態の変化を順当に捉えて画像を取得していくことはできていないが、ある程度の回数以上を取得すれば様様な状態を満遍なく取り込むことが可能である。
もちろん、上記同様タイミングを意図的に操作することで、より効率の良い深度拡張が実現可能である。
そこで、取り込み・合成を行う画像枚数はこれらの条件を考慮して決定する必要がある。
このことは、すなわち図9に示したように被写体の像倍率が微妙に変化することになる。画像合成のためには、この像倍率を正規化して被写体像を同じ大きさにしておき必要がある。ここでは、その一手法の考え方を示す。
二周波駆動型液晶素子(レンズ)212を高周波状態と低周波状態で交互に周期的に切り替え駆動しながら撮影した複数枚(フレーム)の画像から、正規化する目標となる像サイズの画像を選択する。
図15では実線で示した像を目標にするものとする。
倍率を算出するための特徴点は、光軸付近より周辺部のほうが算出の分解能を高めることができる。
また、特徴点は、一箇所ではなくなるべく多くの点を用いたほうが、信頼性を向上させることができる。
それに対して焦点距離が短い、すなわち像倍率の高い状態で撮影された画像を重ねて表したものが破線で示したI1、逆に焦点距離が長い、すなわち像倍率の低い状態で撮影された画像を重ねて表したものが破線で示したI2となる。
正規化目標画像Isに対するI1画像の倍率=(S+V1)/S
正規化目標画像Isに対するI2画像の倍率=(S+V2)/S
画像合成を行うために、求めた倍率を用いて像倍率の正規化を行う。
正規化は、画像全体に対して光軸座標を原点として上記倍率の逆数を乗じる座標変換を行うことで実施できる。すなわち光軸座標を(X0、Y0)、正規化語の座標を(Xs、Ys)とすると、次にようになる。
I1の画像の場合
Xs=X0+(X−X0)*S/(S+V1)
Ys=X0+(Y−Y0)*S/(S+V1)
I2の画像の場合
Xs=X0+(X−X0)*S/(S−V2)
Ys=X0+(Y−Y0)*S/(S−V2)
二周波駆動型液晶素子(レンズ)212の変化の過渡状態に対応する画角変動量が正確に分かっていて、かつそれに対応した画像取り込みタイミングも把握できていれば、上記の倍率算出の手順は不要で取得画像を各画角変動量の逆数に合わせて倍率を合わせて(いわゆるデジタルズーム処理)をやることで、画像の大きさの正規化ができる。
何れの場合も、個別に正確な光軸座標が分かっている必要がある。
そして、光学系を簡単化でき、コスト低減を図ることができ、しかも良好な復元画像を得ることが可能となる利点がある。
Claims (10)
- 撮像光学系と、
前記撮像光学系の光軸上の何れかの位置に配置された二周波駆動型液晶素子と、
前記撮像光学系を介した被写体像を撮像する撮像素子と、
前記二周波駆動型液晶素子の焦点距離は不変とし、波面の変調によって波面収差ベスト位置を変化させる駆動部と、を有し、
前記駆動部は、
撮影時に、前記二周波駆動型液晶素子を駆動させて状態を変化させる
撮像装置。 - 前記撮像素子から出力された画像信号の処理を行う画像信号処理部を有し、
前記画像信号処理部は、
連続で撮像して得られる複数画像を前記画像処理部で合成して被写界深度を拡張した画像を生成する
請求項1に記載の撮像装置。 - 前記画像信号処理部は、
前記焦点距離の変化に伴う画角変動によって生じる前記複数画像間の被写体像のサイズの違いを画像処理によって正規化してから前記合成を行う
請求項2に記載の撮像装置。 - 前記画像信号処理部は、
前記合成を前記複数画像のデータを平均することによって行う
請求項2または3に記載の撮像装置。 - 前記画像信号処理部は、
画像の部分毎に前記複数画像間で最もコントラストが高いものを選択して前記合成を行う
請求項2または3に記載の撮像装置。 - 前記撮像光学系は絞りを有し、
前記二周波駆動型液晶素子は、前記絞りに隣接した箇所に配置されている
請求項1から5のいずれか一に記載の撮像装置。 - 前記二周波駆動型液晶素子は、前記撮像光学系全体のパワーよりパワーの強い面に隣接した箇所に配置されている
請求項1から5のいずれか一に記載の撮像装置。 - 前記二周波駆動型液晶素子は赤外線カットフィルター機能を有する
請求項1から7のいずれか一に記載の撮像装置。 - 撮像光学系の光軸上の何れかの位置に配置された二周波駆動型液晶素子の焦点距離は不変とし、波面の変調によって波面収差ベスト位置を変化させながら、当該撮像光学系を介した被写体像を連続で撮影し、
撮影して得られる複数画像を合成して被写界深度を拡張した画像を生成する
画像生成方法。 - 撮像装置を有する電子機器であって、
前記撮像装置は、
撮像光学系と、
前記撮像光学系の光軸上の何れかの位置に配置された二周波駆動型液晶素子と、
前記撮像光学系を介した被写体像を撮像する撮像素子と、
前記二周波駆動型液晶素子の焦点距離は不変とし、波面の変調によって波面収差ベスト位置を変化させる駆動部と、を有し、
前記駆動部は、
撮影時に、前記二周波駆動型液晶素子を駆動させて状態を変化させる
電子機器。
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