JP5411350B2 - デジタル撮像システム、プレノプティック光学装置、及び画像データ処理方法 - Google Patents
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Description
1.1908年に初めてリップマン(Lippmann)により発表され、国際公開第WO2007/092581(A2)号(特許文献1)にも記載されており、また、『スタンフォードテックレポート』CTSR2005−02(非特許文献1)においてレン・ウン(Ren Ng)らにより発表された標準的なプレノプティックカメラ。このプレノプティックカメラの有効解像度は、使用されるマイクロレンズの数と同じである。
2.2008年に初めてラムズデインとゲオルギエフによりテクニカルレポート(A・ラムズデイン及びT・ゲオルギエフ共著「最大解像度でのライトフィールド・レンダリング」、テクニカルレポート、アドビ・システムズ社、2008年1月(非特許文献2)及び米国特許公開第2009/0041448(A1)号(特許文献2)において発表された「焦点調節型プレノプティックカメラ」。これらの刊行物に記載された設計では、より高い有効解像度が達成されている。しかしながら、プレノプティックカメラにおける達成可能な有効解像度の解析的計算を可能にするような理論は何も発表されていない。さらに従来の画像レンダリングアルゴリズムは、画像を周波数領域に変換することにより機能するものである。
1.通常のカメラを用いた撮像
2.本発明の多焦点プレノプティックカメラを用いた撮像
F値
多重度、全体カバー平面
視差
全体カバー限界
マイクロレンズアレイの形態
形態1110:γ=2である3タイプのマイクロレンズ
形態1120:γ=1+1/cos(π/6)≒2.15である4タイプのマイクロレンズ
形態1130:γ=1+3/[2cos(π/6)]≒2.73である9タイプのマイクロレンズ
形態1140:γ=3である12タイプのマイクロレンズ
形態1210:直交型のグリッドである3タイプのマイクロレンズ
形態1220:六角形のグリッドである2タイプのマイクロレンズ
形態1230:六角形のグリッドである3タイプのマイクロレンズ
形態1240:六角形のグリッドである2タイプのマイクロレンズ
複数のマイクロレンズアレイを有するプレノプティックカメラ
3.画像レンダリング
1.(x,y)における点を実際に見ているマイクロレンズの組を見つけ出す。これらのマイクロレンズは、それらの中心部が(x,y)の正射投影を中心にした半径rの円内でマイクロレンズの平面上に位置するようなマイクロレンズ全てである。半径rはr=(zD)/(2B)から求められる。
2.これらのマイクロレンズそれぞれに関して、点(x,y)が各マイクロレンズによって投影される像平面上の画素位置を算出する。
3.最終的な強度値は、前工程において算出された画素位置における像平面上の強度値を加重平均したものである。重み付けは、点(x,y,z)の投影のための画素位置それぞれにおける強度減衰量を示す較正データから取り出せる。
主レンズ及びフォトセンサアレイにおいて一組の光線を収集して、この一組の光線を特徴づける光のデータを出力する工程と、
主レンズ及びフォトセンサアレイ間に位置決めされたマイクロレンズアレイによって、前記一組の光線を主レンズからフォトセンサアレイに指向させる工程と、
マイクロレンズアレイに対する相対的な位置決め機構においてフォトセンサアレイを設定して、フォトセンサアレイにより収集された光の方向的な特徴を選択的に検出しやすくする工程と、
主レンズ、マイクロレンズアレイ、及びフォトセンサアレイの構成及び相対的位置の関数として光のデータを使って、合成され再フォーカスされた画像を、画像データプロセッサを用いて演算する工程と、
を含み、
合成され再フォーカスされた画像は、フォトセンサアレイによって収集されたままの光線の一組に関する仮想のリダイレクトを表しており、(x,y)における点を実際に見ているマイクロレンズの組は、どのマイクロレンズが(x,y)の正射投影を中心にした半径rの円内でマイクロレンズの平面上に位置する中心部を有しているかを見つけ出すことにより選択される。ここで、半径rはr=(zD)/(2B)である。これらのマイクロレンズそれぞれに関して、点(x,y)が各マイクロレンズによって投影される像平面上の画素位置が計算され、画素が画像として表示される。
好ましい実施例の特長
虚像点それぞれに関して、以下のことを行う。
−フォトセンサを飽和させずに、対応するRAW画像の強度が極力高くなる態様で、MFPCを用いて均質的に白い表面の較正画像を取り出す。
−MFPCを用いて望まれるシーンの画像を取り出す。
−望まれるシーンに関するRAW画像データを較正済みのRAW画像データで除算する。このようにして、光学システム及びフォトセンサ感度による強度の変化をRAW画像から除去する。
−各RAW画像点に関して、RAW画像点を取り囲んだフォトセンサの組から対応するRAW画像強度を算出する。これは、組になったフォトセンサの平均強度値、又はRAW画像点からのフォトセンサ中心の距離を勘案した補間強度値ともなる。このように多数の補間アルゴリズムが現在の技術水準として周知である。
−画像レンダリングアルゴリズムの工程S3は、次のものに置き換え得る。各選択された虚像点(1531)に関して全てのマイクロレンズタイプを常用する。
−対応する解像度比率εLが所与の値に関してεL≦1を満足させるような全てのマイクロレンズタイプを使用し、斯かるマイクロレンズタイプが存在しない場合、最小のεL(解像度比率)を有するマイクロレンズタイプを使用する。
4.他の用途
110…主レンズ
111…光軸
112…矢線
120…フォトセンサ平面
130…被写体
131…虚像
200…デジタル撮像装置
210…主レンズ
211…矢線
220…フォトセンサアレイ平面
221…マイクロレンズアレイ
222…マイクロレンズ
230…被写体
231…虚像
232…仮想の像平面
311…主レンズ
322…マイクロレンズアレイ
330…フォトセンサ平面(像平面)
340…被写体
341…虚像
342…最適焦点の像平面
343…マイクロイメージ
420…マイクロレンズ平面
421…マイクロレンズ
422…マイクロイメージ
423…極値的な投影光線
424…極値的な投影光線
430…全体カバー平面
431…二重カバー平面
440…フォトセンサ平面
510…単一のマイクロレンズ
511…マイクロレンズ平面
521…光線
522…光線
530…フォトセンサ平面
610…単一のマイクロレンズ
620…光の方向
710…フォトセンサ平面
711…マイクロレンズアレイ平面
720…右方の全体カバー平面
722…左方の全体カバー平面
730…グラフ
731…グラフ
732…グラフ
733…グラフ
821…タイプ1のマイクロレンズ
822…タイプ2のマイクロレンズ
823…タイプ3のマイクロレンズ
921…マイクロレンズ
922…マイクロイメージ
1010…フォトセンサ平面
1020…マイクロレンズアレイ平面
1021…マイクロレンズ
1022…マイクロイメージ
1023…マイクロ投影コーン
1030…光学的軸
1110…形態1110
1120…形態1120
1130…形態1130
1140…形態1140
1210…形態1210
1220…形態1220
1230…形態1230
1240…形態1240
1510…フォトセンサ平面
1520…マイクロレンズアレイ平面
1530…虚像表面
1531…虚像点
1532…投影された虚像点
1533…点P1
1534…点P2
1535…点P3
Claims (20)
- 所定の像平面に配置された複数のフォトセンサを有するフォトセンサアレイと、
被写体からの光をフォトセンサアレイに対して指向させるよう配置された複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、
を備えており、前記フォトセンサアレイ及び前記マイクロレンズアレイは所定の距離を置いて配置されてなる、プレノプティック光学装置における画像を合成するよう構成されたデジタル撮像システムであって、
マイクロレンズは、マイクロレンズアレイ上において変化する異なる合焦距離を有しており、また
フォトセンサアレイに関する前記像平面は、フォトセンサアレイ及びマイクロレンズアレイ間の距離がマイクロレンズの合焦距離と不等であるような態様で配置されることを特徴とするデジタル撮像システム。 - 請求項1に記載のデジタル撮像システムであって、
前記マイクロレンズアレイは、共通の合焦距離を有する数組のマイクロレンズを有しており、異なる組のマイクロレンズは異なる合焦距離を有することを特徴とするデジタル撮像システム。 - 請求項1または2に記載のデジタル撮像システムであって、
マイクロレンズそれぞれの合焦距離は、2つ又は3つの異なる合焦距離から選択されることを特徴とするデジタル撮像システム。 - 請求項1又は2に記載のデジタル撮像システムであって、
マイクロレンズそれぞれの合焦距離は、4つ以上の異なる合焦距離から選択されることを特徴とするデジタル撮像システム。 - 請求項1〜4のいずれか一に記載のデジタル撮像システムであって、
マイクロレンズそれぞれの合焦距離は、このマイクロレンズに最も接近したマイクロレンズそれぞれの合焦距離とは異なることを特徴とするデジタル撮像システム。 - 請求項1〜5のいずれか一に記載のデジタル撮像システムであって、
マイクロレンズそれぞれは、各マイクロレンズの合焦距離に依存する有効解像度比率と、マイクロレンズアレイからの深度距離とを呈し、また
マイクロレンズの合焦距離は、有効解像度比率が深度距離の隣接範囲において相補性の最大値を有することを特徴とするデジタル撮像システム。 - 請求項1〜6のいずれか一に記載のデジタル撮像システムであって、
マイクロレンズは、等しい合焦距離を有するマイクロレンズが規則的なグリッドを呈する態様で配置されることを特徴とするデジタル撮像システム。 - 請求項7に記載のデジタル撮像システムであって、
マイクロレンズは、等しい合焦距離を有するマイクロレンズが直交型又は六角形のグリッドを呈することを特徴とするデジタル撮像システム。 - 請求項1〜8のいずれか一に記載のデジタル撮像システムであって、
フォトセンサアレイ及びマイクロレンズアレイ間の距離は、フォトセンサアレイ及びマイクロレンズアレイの可変式又は固定式連結体を備えた制御構体により設定されることを特徴とするデジタル撮像システム。 - 請求項1〜9のいずれか一に記載のデジタル撮像システムであって、
マイクロレンズアレイは、マイクロレンズの一次元又は二次元アレイであることを特徴とするデジタル撮像システム。 - 請求項1〜10のいずれか一に記載のデジタル撮像システムであって、
共通の合焦距離を有する全てのマイクロレンズが同一の直径を有することを特徴とするデジタル撮像システム。 - 請求項1〜11のいずれか一に記載のデジタル撮像システムであって、
マイクロレンズアレイにおける全てのマイクロレンズが同一の直径を有することを特徴とするデジタル撮像システム。 - 請求項1〜12のいずれか一に記載のデジタル撮像システムであって、さらに、
被写体からの光をマイクロレンズアレイに対して指向させるよう配置された複数のマイクロレンズを有する少なくとも一の補助的マイクロレンズアレイを備えることを特徴とするデジタル撮像システム。 - 請求項1〜13のいずれか一に記載のデジタル撮像システムであって、さらに、
異なるフォトセンサにおいて感知された光の関数として、すなわちマイクロレンズアレイに対するフォトセンサの相対的位置と感知された光の入射角として、合成画像を特徴づける画像データを提供するためにコンピュータでプログラム可能なプロセッサを備えることを特徴とするデジタル撮像システム。 - 主レンズ光学系と、
請求項1〜14のいずれか一に記載のデジタル撮像システムと、
を備えることを特徴とするプレノプティック光学装置。 - 請求項15に記載のプレノプティック光学装置であって、
デジタル撮像システムのマイクロレンズアレイは、主レンズ光学系の焦線に配置され、被写体からの光を主レンズ光学系経由でフォトセンサアレイに対して指向させ、また、
主レンズ光学系における焦線の特定部分を通過する一組の光線に関し、複数のフォトセンサが配置され、異なる入射角で焦線の特定部分に同時に到達する光線の組のうち異なるものを感知することを特徴とするプレノプティック光学装置。 - 請求項15又は16に記載のプレノプティック光学装置であって、
カメラ装置、走査装置、又は顕微鏡装置であることを特徴とするプレノプティック光学装置。 - 請求項1〜14に記載のデジタル撮像システム又は請求項15〜17に記載のプレノプティック光学装置を用いて収集された画像データを処理するための方法であって、
フォトセンサアレイを用いて収集されたRAW画像データを提供する工程と、
虚像点を含む所定の虚像表面を提供する工程と、
各虚像点に関して、
マイクロレンズの合焦距離に応じて、フォトセンサアレイ上の虚像点を撮像するために最大の有効解像度比率を有する一組のマイクロレンズを選択する工程と、
マイクロレンズアレイ平面上に虚像点を投影する工程と、
虚像点の強度値に寄与するマイクロレンズの選択された組のマイクロイメージを検出する工程と、
RAW画像点に関するRAW画像データが虚像点の強度値に寄与するようなRAW画像点を選択する工程と、
RAW画像点におけるRAW画像データに関する平均化されたRAW画像強度を検出する工程と、
前記平均化されたRAW画像強度を備えたデジタル画像を生成する工程と、
を含むことを特徴とする画像データを処理するための方法。 - 請求項18に記載の画像データ処理方法であって、
虚像表面は仮想の像平面であるか、又は撮像対象の被写体に適応した表面であることを特徴とする画像データ処理方法。 - 請求項18又は19に記載の画像データ処理方法であって、
デジタル画像を生成する前記工程は、多様な虚像表面を求めて繰り返されることを特徴とする画像データ処理方法。
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