JPWO2007074649A1 - 撮像装置およびその画像処理方法 - Google Patents

Abstract

光学系を簡単化でき、コスト低減を図ることができ、しかも絞り制御に応じた適切な画質の、ノイズの影響が小さい復元画像を得ることが可能な撮像装置およびその画像処理方法であって、１次画像を形成する光学系１１０および撮像素子１２０と、１次画像を高精細な最終画像に形成する画像処理装置１５０とを含み、制御装置２００は、絞り情報を検出し、絞りを所定値まで絞らない場合（開放）は、撮像素子１２０で撮像されＡＦＥ１３０を介した被写体分散画像信号を画像処理装置１５０に入力して分散のない復元した画像信号をカメラ信号処理部１６０に入力し、絞りを所定値以上絞った場合には撮像素子１２０で撮像されＡＦＥ１３０を介した被写体分散画像信号を画像処理装置１５０を経ずにカメラ信号処理部１６０に直接入力するように切替部１４０を制御する。

Description

本発明は、撮像素子を用い、光学系を備えたデジタルスチルカメラや携帯電話搭載カメラ、携帯情報端末搭載カメラ、画像検査装置、自動制御用産業カメラ等の撮像装置に関するものである。

近年急峻に発展を遂げている情報のデジタル化に相俟って映像分野においてもその対応が著しい。
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。

このように、撮像素子にＣＣＤやＣＭＯＳセンサを使った撮像レンズ装置は、被写体の映像を光学系により光学的に取り込んで、撮像素子により電気信号として抽出するものであり、デジタルスチルカメラの他、ビデオカメラ、デジタルビデオユニット、パーソナルコンピュータ、携帯電話機、携帯情報端末（ＰＤＡ：Ｐｅｒｓｏｎａｌ ＤｉｇｉｔａｌＡｓｓｉｓｔａｎｔ）、画像検査装置、自動制御用産業カメラ等に用いられている。

図１は、一般的な撮像レンズ装置の構成および光束状態を模式的に示す図である。
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。

撮像レンズ装置１においては、図１に示すように、ベストフォーカス面を撮像素子面上に合致させている。
図２Ａ〜図２Ｃ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、位相板（Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ｃｏｄｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ）により光束を規則的に分散し、デジタル処理により復元させ被写界深度の深い画像撮影を可能にする等の撮像装置が提案されている（たとえば非特許文献１，２、特許文献１〜５参照）。
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. ＵＳＰ６，０２１，００５ ＵＳＰ６，６４２，５０４ ＵＳＰ６，５２５，３０２ ＵＳＰ６，０６９，７３８ 特開２００３−２３５７９４号公報 特開２００４−１５３４９７号公報

上述した各文献にて提案された撮像装置においては、その全ては通常光学系に上述の位相板を挿入した場合のＰＳＦ（Ｐｏｉｎｔ−Ｓｐｒｅａｄ−Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）が一定になっていることが前提であり、ＰＳＦが変化した場合は、その後のカーネルを用いたコンボリューションにより、被写界深度の深い画像を実現することは極めて難しい。
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、一般的な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。

また、上述した各文献に開示された装置においては、たとえば暗所における撮影で、信号処理によって画像を復元する際、ノイズも同時に増幅してしまう。
したがって、たとえば上述した位相板等の光波面変調素子とその後の信号処理を用いるような、光学系と信号処理を含めた光学システムでは、暗所での撮影を行う場合、ノイズが増幅してしまい、復元画像に影響を与えてしまうという不利益がある。

さらに、上記技術では、たとえば明るい被写体の撮影で、絞りを絞った場合、位相変調素子が絞りで覆われるため、位相変化が小さくなり、画像復元処理を行うと復元画像に影響を与えてしまうという不利益がある。

本発明は、光学系を簡単化でき、コスト低減を図ることができ、しかも絞り制御に応じた適切な画質の、ノイズの影響が小さい復元画像を得ることが可能な撮像装置およびその画像処理方法を提供することにある。

本発明の観点の撮像装置は、光学系と、光学的伝達関数（ＯＴＦ）を変調させる光波面変調素子と、可変絞りと、前記光学系、可変絞り、および前記光波面変調素子を通過した被写体像を撮像する撮像素子と、前記撮像素子からの被写体分散画像信号より分散のない画像信号を生成する変換手段と、前記画像信号に所定の演算処理を行う信号処理部と、前記信号処理部の演算係数を格納するメモリ手段と、絞りを制御する制御手段と、を有し、前記制御手段は、絞りを所定値まで絞らない場合は、前記撮像素子からの被写体分散画像信号を前記変換手段に入力して分散のない画像信号を前記信号処理部に入力し、絞りを所定値以上絞った場合には前記撮像素子からの被写体分散画像信号を前記変換手段を経ずに前記信号処理部に入力する。

好適には、前記光波面変調素子が、物体距離に応じたＯＴＦの変化を、光波面変調素子を持たない光学系よりも小さくする作用を持つ。

好適には、前記光波面変調素子を有する光学系のＯＴＦが、前記光波面変調素子を含まない光学系の被写界深度よりも広い物体距離にわたって、前記撮像素子のナイキスト周波数まで０．１以上である。

好適には、前記光波面変調素子が、前記光学系の光軸をｚ軸とし、互いに直交する２軸をｘ、ｙとしたとき、位相が下記式で表される。

好適には、前記信号処理部は、ノイズ低減フィルタリングを施す手段を有する。

好適には、前記メモリ手段には、露出情報に応じたノイズ低減処理のための演算係数が格納される。

好適には、前記メモリ手段には、露出情報に応じた光学的伝達関数（OTF）復元のための演算係数が格納される。

好適には、前記露出情報として絞り情報を含む。

好適には、前記撮像装置は、被写体までの距離に相当する情報を生成する被写体距離情報生成手段と、を備え、前記変換手段は、前記被写体距離情報生成手段により生成される情報に基づいて前記分散画像信号より分散のない画像信号を生成する。

好適には、前記撮像装置は、被写体距離に応じて少なくとも前記光波面変調素子または前記光学系に起因する分散に対応した変換係数を少なくとも２以上予め記憶する変換係数記憶手段と、前記被写体距離情報生成手段により生成された情報に基づき、前記変換係数記憶手段から被写体までの距離に応じた変換係数を選択する係数選択手段と、を備え、前記変換手段は、前記係数選択手段で選択された変換係数によって、画像信号の変換を行う。

好適には、前記撮像装置は、前記被写体距離情報生成手段により生成された情報に基づき変換係数を演算する変換係数演算手段、を備え、前記変換手段は、前記変換係数演算手段から得られた変換係数によって、画像信号の変換を行う。

好適には、前記撮像装置は、前記光学系はズーム光学系を含み、前記ズーム光学系のズーム位置またはズーム量に応じた少なくとも１以上の補正値を予め記憶する補正値記憶手段と、少なくとも前記光波面変調素子または前記光学系に起因する分散に対応した変換係数を予め記憶する第２変換係数記憶手段と、前記被写体距離情報生成手段により生成された情報に基づき、前記補正値記憶手段から被写体までの距離に応じた補正値を選択する補正値選択手段と、を備え、前記変換手段は、前記第２変換係数記憶手段から得られた変換係数と、前記補正値選択手段から選択された前記補正値とによって、画像信号の変換を行う。

好適には、前記補正値記憶手段で記憶する補正値が前記被写体分散像のカーネルサイズを含む。

好適には、前記撮像装置は、被写体までの距離に相当する情報を生成する被写体距離情報生成手段と、前記被写体距離情報生成手段により生成された情報に基づき変換係数を演算する変換係数演算手段と、を備え、前記変換手段は、前記変換係数演算手段から得られた変換係数によって、画像信号の変換を行い分散のない画像信号を生成する。

好適には、前記変換係数演算手段は、前記被写体分散像のカーネルサイズを変数として含む。

好適には、記憶手段を有し、前記変換係数演算手段は、求めた変換係数を前記記憶手段に格納し、前記変換手段は、前記記憶手段に格納された変換係数によって、画像信号の変換を行い分散のない画像信号を生成する。

好適には、前記変換手段は、前記変換係数に基づいてコンボリューション演算を行う。
好適には、前記撮像装置は、撮影する被写体の撮影モードを設定する撮影モード設定手段と、を備え、前記変換手段は、前記撮影モード設定手段により設定された撮影モードに応じて異なる変換処理を行う。

好適には、前記撮影モードは通常撮影モードの他、マクロ撮影モードまたは遠景撮影モードのいずれか１つを有し、前記マクロ撮影モードを有する場合、前記変換手段は、通常撮影モードにおける通常変換処理と、当該通常変換処理に比べて近接側に分散を少なくするマクロ変換処理と、を撮影モードに応じて選択的に実行し、前記遠景撮影モードを有する場合、前記変換手段は、通常撮影モードにおける通常変換処理と、当該通常変換処理に比べて遠方側に分散を少なくする遠景変換処理と、を撮影モードに応じて選択的に実行する。

好適には、前記撮影モード設定手段により設定される各撮影モードに応じて異なる変換係数を記憶する変換係数記憶手段と、前記撮影モード設定手段により設定された撮影モードに応じて前記変換係数記憶手段から変換係数を抽出する変換係数抽出手段と、を備え、前記変換手段は、前記変換係数抽出手段から得られた変換係数によって、画像信号の変換を行う。

好適には、前記変換係数記憶手段は前記被写体分散像のカーネルサイズを変換係数として含む。

好適には、前記モード設定手段は、撮影モードを入力する操作スイッチと、前記操作スイッチの入力情報により被写体までの距離に相当する情報を生成する被写体距離情報生成手段と、を含み、前記変換手段は、前記被写体距離情報生成手段により生成される情報に基づいて前記分散画像信号より分散のない画像信号に変換処理する。

本発明の第２の観点は、光学系、可変絞り、および光波面変調素子を通過した被写体像を撮像する撮像素子を有する撮像装置の画像処理方法であって、絞りを所定値まで絞らない場合は、前記撮像素子からの被写体分散画像信号より分散のない画像信号を生成し、当該分散のない画像信号に対して所定の信号処理を行い、絞りを所定値以上絞った場合には、前記撮像素子からの被写体分散画像信号に対して所定の信号処理を行う。
撮像装置の画像処理方法。

本発明によれば、光学系を簡単化でき、コスト低減を図ることができ、しかも絞り制御に応じた適切な画質の、ノイズの影響が小さい復元画像を得ることができる利点がある。

図１は、一般的な撮像レンズ装置の構成および光束状態を模式的に示す図である。 図２Ａ〜図２Ｃは、撮像レンズ装置の撮像素子の受光面でのスポット像を示す図であって、図２Ａは焦点が０．２ｍｍずれた場合（Ｄｅｆｏｃｕｓ＝０．２ｍｍ）、図２Ｂが合焦点の場合（Ｂｅｓｔ ｆｏｃｕｓ）、図２Ｃが焦点が−０．２ｍｍずれた場合（Ｄｅｆｏｃｕｓ＝−０．２ｍｍ）の各スポット像を示す図である。 図３は、本発明に係る撮像装置の一実施形態を示すブロック構成図である。 図４は、絞り状態に応じた撮像画像の処理制御を説明するための図である。 図５は、本実施形態に係る撮像レンズ装置の広角側のズーム光学系の構成例を模式的に示す図である。 図６は、本実施形態に係る撮像レンズ装置の望遠側のズーム光学系の構成例を模式的に示す図である。 図７は、広角側の像高中心のスポット形状を示す図である。 図８は、望遠側の像高中心のスポット形状を示す図である。 図９は、ＤＥＯＳの原理を説明するための図である。 図１０Ａ〜図１０Ｃは、本実施形態に係る撮像素子の受光面でのスポット像を示す図であって、図１０Ａは焦点が０．２ｍｍずれた場合（Ｄｅｆｏｃｕｓ＝０．２ｍｍ）、図１０Ｂが合焦点の場合（Ｂｅｓｔ ｆｏｃｕｓ）、図１０Ｃが焦点が−０．２ｍｍずれた場合（Ｄｅｆｏｃｕｓ＝−０．２ｍｍ）の各スポット像を示す図である。 図１１Ａおよび図１１Ｂは、本実施形態に係る撮像素子により形成される１次画像のＭＴＦについて説明するための図であって、図１１Ａは撮像レンズ装置の撮像素子の受光面でのスポット像を示す図で、図１１Ｂが空間周波数に対するＭＴＦ特性を示している。 図１２は、本実施形態に係る画像処理装置におけるＭＴＦ補正処理を説明するための図である。 図１３は、本実施形態に係る画像処理装置におけるＭＴＦ補正処理を具体的に説明するための図である。 図１４は、一般的な光学系の場合において物体が焦点位置にあるときと焦点位置から外れたときのＭＴＦのレスポンス（応答）を示す図である。 図１５は、光波面変調素子を有する本実施形態の光学系の場合において物体が焦点位置にあるときと焦点位置から外れたときのＭＴＦのレスポンスを示す図である。 図１６は、本実施形態に係る撮像装置のデータ復元後のＭＴＦのレスポンスを示す図である。 図１７は、本実施形態の光波面変調素子を含む光学系の光軸をｚ軸とし、互いに直交する２軸をｘ、ｙとしたとき、式で表される波面収差の形状を示す図である。 図１８は、波面収差の形状と０．５λ以下の範囲を太線で表した図である。 図１９は、カーネルデータＲＯＭの格納データの一例（光学倍率）を示す図である。 図２０は、カーネルデータＲＯＭの格納データの他例（Ｆナンバ）を示す図である。 図２１は、カーネルデータＲＯＭの格納データの他例（Ｆナンバ）を示す図である。 図２２は、露出制御装置の光学系設定処理の概要を示すフローチャートである。 図２３は、信号処理部とカーネルデータ格納ＲＯＭについての第１の構成例を示す図である。 図２４は、信号処理部とカーネルデータ格納ＲＯＭについての第２の構成例を示す図である。 図２５は、信号処理部とカーネルデータ格納ＲＯＭについての第３の構成例を示す図である。 図２６は、信号処理部とカーネルデータ格納ＲＯＭについての第４の構成例を示す図である。 図２７は、被写体距離情報と露出情報とを組み合わせる画像処理装置の構成例を示す図である。 図２８は、ズーム情報と露出情報とを組み合わせる画像処理装置の構成例を示す図である。 図２９は、露出情報と、物体距離情報と、ズーム情報とを用いた場合のフィルタの構成例を示す図である。 図３０は、撮影モード情報と露出情報とを組み合わせる画像処理装置の構成例を示す図である。

符号の説明

１００…撮像装置、１１０…光学系、１２０…撮像素子、１３０…アナログフロントエンド部（ＡＦＥ）、１４０…切替部、１５０…画像処理装置、１６０…カメラ信号処理部、１９０…操作部、２００…制御装置、１１１…物体側レンズ、１１２…結像レンズ、１１３…波面形成用光学素子、１１３ａ…位相板（光波面変調素子）、１５２…コンボリューション演算器、１５３…カーネルデータＲＯＭ、１５４…コンボリューション制御部。

以下、本発明の実施形態を添付図面に関連付けて説明する。

図３は、本発明に係る撮像装置の一実施形態を示すブロック構成図である。

本実施形態に係る撮像装置１００は、光学系１１０、撮像素子１２０、アナログフロントエンド部（ＡＦＥ）１３０、切替部１４０、画像処理装置１５０、カメラ信号処理部１６０、画像表示メモリ１７０、画像モニタリング装置１８０、操作部１９０、制御装置２００、および可変絞り２１０を有している。

光学系１１０は、被写体物体ＯＢＪを撮影した像を撮像素子１２０に供給する。

撮像素子１２０は、光学系１１０で取り込んだ像が結像され、結像１次画像情報を電気信号の１次画像信号ＦＩＭとして、アナログフロントエンド部１３０を介して画像処理装置１５０に出力するＣＣＤやＣＭＯＳセンサからなる。
図３においては、撮像素子１２０を一例としてＣＣＤとして記載している。

アナログフロントエンド部１３０は、タイミングジェネレータ１３１、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ１３２と、を有する。
タイミングジェネレータ１３１では、撮像素子１２０のＣＣＤの駆動タイミングを生成しており、Ａ／Ｄコンバータ１３２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１５０に出力する。

切替部１４０は、制御装置２００による切替制御信号ＳＣＴＬに応じてＡＦＥ１３０を介した撮像素子１２０の撮像画像信号を画像処理装置１５０またはカメラ信号処理部１６０に選択的に入力する。
切替部１４０において、固定接点ａがＡＦＥ１３０のＡ／Ｄコンバータ１３２の出力ラインに接続され、作動接点ｂが画像処理装置１５０の入力ラインに接続され、作動接点ｃがカメラ信号処理部１６０の信号入力ラインに接続されている。
切替部１４０は、絞りを絞るときには固定接点ａが作動接点ｃに接続するように制御される。一方、絞りを絞らない場合（開放）は、固定接点ａが作動接点ｂに接続されるように制御される。

信号処理部の一部を構成する画像処理装置（二次元コンボリューション手段）１５０は、前段のＡＦＥ１３０からくる撮像画像のデジタル信号を入力し、二次元のコンボリューション処理を施し、後段のカメラ信号処理部（ＤＳＰ）１６０に渡す。
画像処理装置１５０、制御装置２００の露出情報に応じて、光学的伝達関数（OTF）に対してフィルタ処理を行う。なお、露出情報として絞り情報を含む。
画像処理装置１５０は、撮像素子１２０からの被写体分散画像信号より分散のない画像信号を生成する機能を有する。また、信号処理部は、最初のステップでノイズ低減フィルタリングを施す機能を有する。
画像処理装置１５０の処理については後でさらに詳述する。

カメラ信号処理部（ＤＳＰ）１６０は、カラー補間、ホワイトバランス、ＹＣｂＣｒ変換処理、圧縮、ファイリング等の処理を行い、メモリ１７０への格納や画像モニタリング装置１８０への画像表示等を行う。

制御装置２００は、露出制御を行うとともに、操作部１９０などの操作入力を持ち、それらの入力に応じて、システム全体の動作を決定し、ＡＦＥ１３０、画像処理装置１５０、ＤＳＰ１６０、可変絞り２１０等を制御し、システム全体の調停制御を司るものである。
制御装置２００は、図４に示すように、絞り情報を検出し（ＳＴ１０１）、絞りを絞らない場合（開放）は、撮像素子１２０で撮像されＡＦＥ１３０を介した被写体分散画像信号を画像処理装置１５０に入力して分散のない復元した画像信号をカメラ信号処理部１６０に入力し、絞りを絞った場合には撮像素子１２０で撮像されＡＦＥ１３０を介した被写体分散画像信号を画像処理装置１５０を経ずにカメラ信号処理部１６０に直接入力するように切替部１４０を制御する（ＳＴ１０２）。

以下、本実施形態の光学系、画像処理装置の構成および機能について具体的には説明する。

図５は、本実施形態に係るズーム光学系１１０の構成例を模式的に示す図である。この図は広角側を示している。
また、図６は、本実施形態に係る撮像レンズ装置の望遠側のズーム光学系の構成例を模式的に示す図である。
そして、図７は、本実施形態に係るズーム光学系の広角側の像高中心のスポット形状を示す図であり、図８は、本実施形態に係るズーム光学系の望遠側の像高中心のスポット形状を示す図である。

図５および図６のズーム光学系１１０は、物体側ＯＢＪＳに配置された物体側レンズ１１１と、撮像素子１２０に結像させるための結像レンズ１１２と、物体側レンズ１１１と結像レンズ１１２間に配置され、結像レンズ１１２による撮像素子１２０の受光面への結像の波面を変形させる、たとえば３次元的曲面を有する位相板（Ｃｕｂｉｃ Ｐｈａｓｅ Ｐｌａｔｅ）からなる光波面変調素子（波面形成用光学素子：Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ｃｏｄｉｎｇ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）群１１３を有する。また、物体側レンズ１１１と結像レンズ１１２間には図示しない絞りが配置される。
たとえば、本実施形態においては、可変絞り２００が設けられ、露出制御（装置）において可変絞りの絞り度（開口度）を制御する。

なお、本実施形態においては、位相板を用いた場合について説明したが、本発明の光波面変調素子としては、波面を変形させるものであればどのようなものでもよく、厚みが変化する光学素子（たとえば、上述の３次の位相板）、屈折率が変化する光学素子（たとえば屈折率分布型波面変調レンズ）、レンズ表面へのコーディングにより厚み、屈折率が変化する光学素子（たとえば、波面変調ハイブリッドレンズ）、光の位相分布を変調可能な液晶素子（たとえば、液晶空間位相変調素子）等の光波面変調素子であればよい。
また、本実施形態においては、光波面変調素子である位相板を用いて規則的に分散した画像を形成する場合について説明したが、通常の光学系として用いるレンズで光波面変調素子と同様に規則的に分散した画像を形成できるものを選択した場合には、光波面変調素子を用いずに光学系のみで実現することができる。この際は、後述する位相板に起因する分散に対応するのではなく、光学系に起因する分散に対応することとなる。

図５および図６のズーム光学系１１０は、デジタルカメラに用いられる３倍ズームに光学位相板１１３ａを挿入した例である。
図で示された位相板１１３ａは、光学系により収束される光束を規則正しく分散する光学レンズである。この位相板を挿入することにより、撮像素子１２０上ではピントのどこにも合わない画像を実現する。
換言すれば、位相板１１３ａによって深度の深い光束（像形成の中心的役割を成す）とフレアー（ボケ部分）を形成している。
この規則的に分散した画像をデジタル処理により、ピントの合った画像に復元する手段を波面収差制御光学系システム、あるいは深度拡張光学系システム（ＤＥＯＳ：Ｄｅｐｔｈ Ｅｘｐａｎｔｉｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）といい、この処理を画像処理装置１５０において行う。

ここで、ＤＥＯＳの基本原理について説明する。
図９に示すように、被写体の画像ｆがＤＥＯＳ光学系Ｈに入ることにより、ｇ画像が生成される。
これは、次のような式で表される。

（数２）
ｇ＝Ｈ＊ｆ
ただし、＊はコンボリューションを表す。

生成された画像から被写体を求めるためには、次の処理を要する。

（数３）
ｆ＝Ｈ^-１＊ｇ

ここで、Ｈに関するカーネルサイズと演算係数について説明する。
ズームポジションをＺＰｎ，ＺＰｎ−１・・・とする。また、それぞれのＨ関数をＨｎ，Ｈｎ−１、・・・・とする。
各々のスポット像が異なるため、各々のＨ関数は、次のようになる。

この行列の行数および／または列数の違いをカーネルサイズ、各々の数字を演算係数とする。
ここで、各々のＨ関数はメモリに格納しておいても構わないし、ＰＳＦを物体距離の関数としておき、物体距離によって計算し、Ｈ関数を算出することによって任意の物体距離に対して最適なフィルタを作るように設定できるようにしても構わない。また、Ｈ関数を物体距離の関数として、物体距離によってＨ関数を直接求めても構わない。

本実施形態においては、図３に示すように、光学系１１０からの像を撮像素子１２０で受像して、絞り開放時には画像処理装置１５０に入力させ、光学系に応じた変換係数を取得して、取得した変換係数をもって撮像素子１２０からの分散画像信号より分散のない画像信号を生成するように構成している。

なお、本実施形態において、分散とは、上述したように、位相板１１３ａを挿入することにより、撮像素子１２０上ではピントのどこにも合わない画像を形成し、位相板１１３ａによって深度の深い光束（像形成の中心的役割を成す）とフレアー（ボケ部分）を形成する現象をいい、像が分散してボケ部分を形成する振る舞いから収差と同様の意味合いが含まれる。したがって、本実施形態においては、収差として説明する場合もある。

本実施形態においては、ＤＥＯＳを採用し、高精細な画質を得ることが可能で、しかも、光学系を簡単化でき、コスト低減を図ることが可能となっている。
以下、この特徴について説明する。

図１０Ａ〜図１０Ｃは、撮像素子１２０の受光面でのスポット像を示している。
図１０Ａは焦点が０．２ｍｍずれた場合（Ｄｅｆｏｃｕｓ＝０．２ｍｍ）、図１０Ｂが合焦点の場合（Ｂｅｓｔ ｆｏｃｕｓ）、図１０Ｃが焦点が−０．２ｍｍずれた場合（Ｄｅｆｏｃｕｓ＝−０．２ｍｍ）の各スポット像を示している。
図１０Ａ〜図１０Ｃからもわかるように、本実施形態に係る撮像装置１００においては、位相板１１３ａを含む波面形成用光学素子群１１３によって深度の深い光束（像形成の中心的役割を成す）とフレアー（ボケ部分）が形成される。

このように、本実施形態の撮像装置１００において形成された１次画像ＦＩＭは、深度が非常に深い光束条件にしている。

図１１Ａおよび図１１Ｂは、本実施形態に係る撮像レンズ装置により形成される１次画像の変調伝達関数（ＭＴＦ：Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）について説明するための図であって、図１１Ａは撮像レンズ装置の撮像素子の受光面でのスポット像を示す図で、図１１Ｂが空間周波数に対するＭＴＦ特性を示している。
本実施形態においては、高精細な最終画像は後段の、たとえばデジタルシグナルプロセッサ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）からなる画像処理装置１５０の補正処理に任せるため、図１１Ａおよび図１１Ｂに示すように、１次画像のＭＴＦは本質的に低い値になっている。

画像処理装置１５０は、上述したように、撮像素子１２０による１次画像ＦＩＭを受けて、１次画像の空間周波数におけるＭＴＦをいわゆる持ち上げる所定の補正処理等を施して高精細な最終画像ＦＮＬＩＭを形成する。

画像処理装置１５０のＭＴＦ補正処理は、たとえば図１２の曲線Ａで示すように、本質的に低い値になっている１次画像のＭＴＦを、空間周波数をパラメータとしてエッジ強調、クロマ強調等の後処理にて、図１２中曲線Ｂで示す特性に近づく（達する）ような補正を行う。
図１０中曲線Ｂで示す特性は、たとえば本実施形態のように、波面形成用光学素子を用いずに波面を変形させない場合に得られる特性である。
なお、本実施形態における全ての補正は、空間周波数のパラメータによる。

本実施形態においては、図１２に示すように、光学的に得られる空間周波数に対するＭＴＦ特性曲線Ａに対して、最終的に実現したいＭＴＦ特性曲線Ｂを達成するためには、それぞれの空間周波数に対し、エッジ強調等の強弱を付け、元の画像（１次画像）に対して補正をかける。
たとえば、図１２のＭＴＦ特性の場合、空間周波数に対するエッジ強調の曲線は、図１３に示すようになる。

すなわち、空間周波数の所定帯域内における低周波数側および高周波数側でエッジ強調を弱くし、中間周波数領域においてエッジ強調を強くして補正を行うことにより、所望のＭＴＦ特性曲線Ｂを仮想的に実現する。

このように、実施形態に係る撮像装置１００は、基本的に、１次画像を形成する光学系１１０および撮像素子１２０と、１次画像を高精細な最終画像に形成する画像処理装置１５０からなり、光学系システムの中に、波面成形用の光学素子を新たに設けるか、またはガラス、プラスチックなどのような光学素子の面を波面成形用に成形したものを設けることにより、結像の波面を変形（変調）し、そのような波面をＣＣＤやＣＭＯＳセンサからなる撮像素子１２０の撮像面（受光面）に結像させ、その結像１次画像を、画像処理装置１５０を通して高精細画像を得る画像形成システムである。
本実施形態では、撮像素子１２０による１次画像は深度が非常に深い光束条件にしている。そのために、１次画像のＭＴＦは本質的に低い値になっており、そのＭＴＦの補正を画像処理装置１５０で行う。

ここで、本実施形態における撮像装置１００における結像のプロセスを、波動光学的に考察する。
物点の１点から発散された球面波は結像光学系を通過後、収斂波となる。そのとき、結像光学系が理想光学系でなければ収差が発生する。波面は球面でなく複雑な形状となる。幾何光学と波動光学の間を取り持つのが波面光学であり、波面の現象を取り扱う場合に便利である。
結像面における波動光学的ＭＴＦを扱うとき、結像光学系の射出瞳位置における波面情報が重要となる。
ＭＴＦの計算は結像点における波動光学的強度分布のフーリエ変換で求まる。その波動光学的強度分布は波動光学的振幅分布を２乗して得られるが、その波動光学的振幅分布は射出瞳における瞳関数のフーリエ変換から求まる。
さらにその瞳関数はまさに射出瞳位置における波面情報（波面収差）そのものからであることから、その光学系１１０を通して波面収差が厳密に数値計算できればＭＴＦが計算できることになる。

したがって、所定の手法によって射出瞳位置での波面情報に手を加えれば、任意に結像面におけるＭＴＦ値は変更可能である。
本実施形態においても、波面の形状変化を波面形成用光学素子で行うのが主であるが、まさにｐｈａｓｅ（位相、光線に沿った光路長）に増減を設けて目的の波面形成を行っている。
そして、目的の波面形成を行えば、射出瞳からの射出光束は、図１０Ａ〜図１０Ｃに示す幾何光学的なスポット像からわかるように、光線の密な部分と疎の部分から形成される。
この光束状態のＭＴＦは空間周波数の低いところでは低い値を示し、空間周波数の高いところまでは何とか解像力は維持している特徴を示している。
すなわち、この低いＭＴＦ値（または、幾何光学的にはこのようなスポット像の状態）であれば、エリアジングの現象を発生させないことになる。
つまり、ローパスフィルタが必要ないのである。
そして、後段のＤＳＰ等からなる画像処理装置１５０でＭＴＦ値を低くしている原因のフレアー的画像を除去すれば良いのである。それによってＭＴＦ値は著しく向上する。

次に、本実施形態および従来光学系のＭＴＦのレスポンスについて考察する。

図１４は、一般的な光学系の場合において物体が焦点位置にあるときと焦点位置から外れたときのＭＴＦのレスポンス（応答）を示す図である。
図１５は、光波面変調素子を有する本実施形態の光学系の場合において物体が焦点位置にあるときと焦点位置から外れたときのＭＴＦのレスポンスを示す図である。
また、図１６は、本実施形態に係る撮像装置のデータ復元後のＭＴＦのレスポンスを示す図である。

図からもわかるように、光波面変調素子を有する光学系の場合、物体が焦点位置から外れた場合でもＭＴＦのレスポンスの変化が光波面変調素子を挿入してない光学径よりも少なくなる。
この光学系によって結像された画像を、コンボリューションフィルタによる処理によって、ＭＴＦのレスポンスが向上する。

図１５に示した、位相板を持つ光学系のＯＴＦの絶対値（ＭＴＦ）はナイキスト周波数において０．１以上であることが好ましい。
なぜなら、図１６に示した復元後のＯＴＦを達成するためには復元フィルタでゲインを上げることになるが、センサのノイズも同時に上げることになる。そのため、ナイキスト周波数付近の高周波ではできるたけゲインを上げずに復元を行うことが好ましい。
通常の光学系の場合、ナイキスト周波数でのＭＴＦが０．１以上あれば解像する。
したがって、復元前のＭＴＦが０．１以上あれば復元フィルタでナイキスト周波数でのゲインを上げずに済む。復元前のＭＴＦが０．１未満であると、復元画像がノイズの影響を大きく受けた画像になるため好ましくない。

また、図１７は、本実施形態の光波面変調素子を含む光学系の光軸をｚ軸とし、互いに直交する２軸をｘ、ｙとしたとき、下記式で表される波面収差の形状である。

波面収差が０．５λ以下の範囲では位相の変化が小さく、通常の光学系と変わらないＯＴＦを持つ。したがって波面収差が０．５λ程度になるまで絞った場合には画像復元処理を行わずに通常の光学系と同じカメラ信号処理部１６０に入力する。
図１８は、前記波面収差の形状と０．５λ以下の範囲を太線で表したものである。

なお、図１７に示す形状は、一例であって、光波面変調素子が、光学系の光軸をｚ軸とし、互いに直交する２軸をｘ、ｙとしたとき、位相が下記式で表されるものであれば適用可能である。

次に、画像処理装置１５０の構成および処理について説明する。

画像処理装置１５０は、図３に示すように、生（ＲＡＷ）バッファメモリ１５１、コンボリューション演算器１５２、記憶手段としてのカーネルデータ格納ＲＯＭ１５３、およびコンボリューション制御部１５４を有する。

コンボリューション制御部１５４は、コンボリューション処理のオンオフ、画面サイズ、カーネルデータの入れ替え等の制御を行い、制御装置２００により制御される。

また、カーネルデータ格納ＲＯＭ１５３には、図１９、図２０、または図２１に示すように予め用意されたそれぞれの光学系のＰＳＦにより算出されたコンボリューション用のカーネルデータが格納されており、制御装置２００によって露出設定時に決まる露出情報を取得し、コンボリューション制御部１５４を通じてカーネルデータを選択制御する。
なお、露出情報には、絞り情報が含まれる。

図１９の例では、カーネルデータＡは光学倍率（×１．５）、カーネルデータＢは光学倍率（×５）、カーネルデータＣは光学倍率（×１０）に対応したデータとなっている。

また、図２０の例では、カーネルデータＡは絞り情報としてのＦナンバ（２．８）、カーネルデータＢはＦナンバ（４）に対応したデータとなっている。なお、Ｆナンバ（２．８）、Ｆナンバ（４）は上記した０．５λの範囲外である。

また、図２１の例では、カーネルデータＡは物体距離情報が１００ｍｍ、カーネルデータＢは物体距離が５００ｍｍ、カーネルデータＣは物体距離が４ｍに対応したデータとなっている。

図２０の例のように、絞り情報に応じたフィルタ処理を行うのは以下の理由による。
絞りを絞って撮影を行う場合、絞りによって光波面変調素子を形成する位相板１１３ａが覆われてしまい、位相が変化してしまうため、適切な画像を復元することが困難となる。
そこで、本実施形態においては、本例のように、露出情報中の絞り情報に応じたフィルタ処理を行うことによって適切な画像復元を実現している。

図２２は、制御装置２００の露出情報（絞り情報を含む）により切り替え処理のフローチャートである。
まず、露出情報（ＲＰ）が検出されコンボリューション制御部１５４に供給される（ＳＴ１１１）。
コンボリューション制御部１５４においては、露出情報ＲＰから、カーネルサイズ、数値演係数がレジスタにセットされる（ＳＴ１１２）。
そして、撮像素子１２０で撮像され、ＡＦＥ１３０を介して二次元コンボリューション演算部１５２に入力された画像データに対して、レジスタに格納されたデータに基づいてコンボリューション演算が行われ、演算され変換されたデータがカメラ信号処理部１６０に転送される（ＳＴ１１３）。

以下に画像処理装置１５０の信号処理部とカーネルデータ格納ＲＯＭについてさらに具体的な例について説明する。

図２３は、信号処理部とカーネルデータ格納ROMについての第１の構成例を示す図である。なお、簡単化のためにＡＦＥ等は省略している。
図２４の例は露出情報に応じたフィルタカーネルを予め用意した場合のブロック図である。

露出設定時に決まる露出情報を取得し、コンボリューション制御部１５４を通じてカーネルデータを選択制御する。２次元コンボリューション演算部１５２においては、カーネルデータを用いてコンボリューション処理を施す。

図２４は、信号処理部とカーネルデータ格納ＲＯＭについての第２の構成例を示す図である。なお、簡単化のためにＡＦＥ等は省略している。
図２４の例は、信号処理部の最初にノイズ低減フィルタ処理のステップを有し、フィルタカーネルデータとして露出情報に応じたノイズ低減フィルタ処理ＳＴ１を予め用意した場合のブロック図である。

露出設定時に決まる露出情報を取得し、コンボリューション制御部１５４を通じてカーネルデータを選択制御する。
２次元コンボリューション演算部１５２においては、前記ノイズ低減フィルタＳＴ１を施した後、カラーコンバージョン処理ＳＴ２によって色空間を変換、その後カーネルデータを用いてコンボリューション処理ＳＴ３を施す。
再度ノイズ処理ＳＴ４を行い、カラーコンバージョン処理ＳＴ５によって元の色空間に戻す。カラーコンバージョン処理は、たとえばＹＣｂＣｒ変換が挙げられるが、他の変換でも構わない。
なお、再度のノイズ処理ＳＴ４は省略することも可能である。

図２５は、信号処理部とカーネルデータ格納ＲＯＭについての第３の構成例を示す図である。なお、簡単化のためにＡＦＥ等は省略している。
図２５の例は、露出情報に応じたＯＴＦ復元フィルタを予め用意した場合のブロック図である。

露出設定時に決まる露出情報を取得し、コンボリューション制御部１５４を通じてカーネルデータを選択制御する。
２次元コンボリューション演算部１５２は、ノイズ低減処理ＳＴ１１、カラーコンバージョン処理ＳＴ１２の後に、前記ＯＴＦ復元フィルタを用いてコンボリューション処理ＳＴ１３を施す。
再度ノイズ処理ＳＴ１４を行い、カラーコンバージョン処理ＳＴ１５によって元の色空間に戻す。カラーコンバージョン処理は、たとえばＹＣｂＣｒ変換が挙げられるが、他の変換でも構わない。
なお、ノイズ低減処理ＳＴ１１、ＳＴ１４は、いずれか一方のみでもよい。

図２６は、信号処理部とカーネルデータ格納ＲＯＭについての第４の構成例を示す図である。なお、簡単化のためにＡＦＥ等は省略している。
図２６の例は、ノイズ低減フィルタ処理のステップを有し、フィルタカーネルデータとして露出情報に応じたノイズ低減フィルタを予め用意した場合のブロック図である。
なお、再度のノイズ処理ＳＴ４は省略することも可能である。
露出設定時に決まる露出情報を取得し、コンボリューション制御部１５４を通じてカーネルデータを選択制御する。
２次元コンボリューション演算部１５２においては、ノイズ低減フィルタ処理ＳＴ２１を施した後、カラーコンバージョン処理ＳＴ２２によって色空間を変換、その後カーネルデータを用いてコンボリューション処理ＳＴ２３を施す。
再度、露出情報に応じたノイズ処理ＳＴ２４を行い、カラーコンバージョン処理ＳＴ２５によって元の色空間に戻す。カラーコンバージョン処理は、たとえばＹＣｂＣｒ変換が挙げられるが、他の変換でも構わない。
なお、ノイズ低減処理ＳＴ２１は省略することも可能である。

以上は露出情報のみに応じて２次元コンボリューション演算部１５２においてフィルタ処理を行う例を説明したが、たとえば被写体距離情報、ズーム情報、あるいは撮影モード情報と露出情報とを組み合わせることにより適した演算係数の抽出、あるいは演算を行うことが可能となる。

図２７は、被写体距離情報と露出情報とを組み合わせる画像処理装置の構成例を示す図である。
図２７は、撮像素子１２０からの被写体分散画像信号より分散のない画像信号を生成するが画像処理装置３００の構成例を示している。

画像処理装置３００は、図２７に示すように、コンボリューション装置３０１、カーネル・数値演算係数格納レジスタ３０２、および画像処理演算プロセッサ３０３を有する。

この画像処理装置３００においては、物体概略距離情報検出装置４００から読み出した被写体の物体距離の概略距離に関する情報および露出情報を得た画像処理演算プロセッサ３０３では、その物体離位置に対して適正な演算で用いる、カーネルサイズやその演算係数をカーネル、数値算係数格納レジスタ３０２に格納し、その値を用いて演算するコンボリューション装置３０１にて適正な演算を行い、画像を復元する。

上述のように、光波面変調素子としての位相板(Wavefront Coding optical element)を備えた撮像装置の場合、所定の焦点距離範囲内であればその範囲内に関し画像処理によって適正な収差のない画像信号を生成できるが、所定の焦点距離範囲外の場合には、画像処理の補正に限度があるため、前記範囲外の被写体のみ収差のある画像信号となってしまう。
また一方、所定の狭い範囲内に収差が生じない画像処理を施すことにより、所定の狭い範囲外の画像にぼけ味を出すことも可能になる。
本例においては、主被写体までの距離を、距離検出センサを含む物体概略距離情報検出装置４００により検出し、検出した距離に応じて異なる画像補正の処理を行うように構成されている。

上記の画像処理はコンボリューション演算により行うが、これを実現するには、たとえばコンボリューション演算の演算係数を共通で１種類記憶しておき、焦点距離に応じて補正係数を予め記憶しておき、この補正係数を用いて演算係数を補正し、補正した演算係数で適性なコンボリューション演算を行う構成をとることができる。
この構成の他にも、以下の構成を採用することが可能である。

焦点距離に応じて、カーネルサイズやコンボリューションの演算係数自体を予め記憶しておき、これら記憶したカーネルサイズや演算係数でコンボリューション演算を行う構成、焦点距離に応じた演算係数を関数として予め記憶しておき、焦点距離によりこの関数より演算係数を求め、計算した演算係数でコンボリューション演算を行う構成等、を採用することが可能である。

図２７の構成に対応付けると次のような構成をとることができる。

変換係数記憶手段としてのレジスタ３０２に被写体距離に応じて少なくとも位相板１１３ａに起因する収差に対応した変換係数を少なくとも２以上予め記憶する。画像処理演算プロセッサ３０３が、被写体距離情報生成手段としての物体概略距離情報検出装置４００により生成された情報に基づき、レジスタ３０２から被写体までの距離に応じた変換係数を選択する係数選択手段として機能する。
そして、変換手段としてのコンボリューション装置３０１が、係数選択手段としての画像処理演算プロセッサ３０３で選択された変換係数によって、画像信号の変換を行う。

または、前述したように、変換係数演算手段としての画像処理演算プロセッサ３０３が、被写体距離情報生成手段としての物体概略距離情報検出装置４００により生成された情報に基づき変換係数を演算し、レジスタ３０２に格納する。
そして、変換手段としてのコンボリューション装置３０１が、変換係数演算手段としての画像処理演算プロセッサ３０３で得られレジスタ３０２に格納された変換係数によって、画像信号の変換を行う。

または、補正値記憶手段としてのレジスタ３０２にズーム光学系１１０のズーム位置またはズーム量に応じた少なくとも１以上の補正値を予め記憶する。この補正値には、被写体収差像のカーネルサイズを含まれる。
第２変換係数記憶手段としても機能するレジスタ３０２に、位相板１１３ａに起因する収差に対応した変換係数を予め記憶する。
そして、被写体距離情報生成手段としての物体概略距離情報検出装置４００により生成された距離情報に基づき、補正値選択手段としての画像処理演算プロセッサ３０３が、補正値記憶手段としてのレジスタ３０２から被写体までの距離に応じた補正値を選択する。
変換手段としてのコンボリューション装置３０１が、第２変換係数記憶手段としてのレジスタ３０２から得られた変換係数と、補正値選択手段としての画像処理演算プロセッサ３０３により選択された補正値とに基づいて画像信号の変換を行う。

図２８は、ズーム情報と露出情報とを組み合わせる画像処理装置の構成例を示す図である。
図２８は、撮像素子１２０からの被写体分散画像信号より分散のない画像信号を生成するが画像処理装置３００Ａの構成例を示している。

画像処理装置３００Ａは、図２７と同様に、図２８に示すように、コンボリューション装置３０１、カーネル・数値演算係数格納レジスタ３０２、および画像処理演算プロセッサ３０３を有する。

この画像処理装置３００Ａにおいては、ズーム情報検出装置５００から読み出したズーム位置またはズーム量に関する情報および露出情報を得た画像処理演算プロセッサ３０３では、露出情報およびそのズーム位置に対して適正な演算で用いる、カーネルサイズやその演算係数をカーネル、数値演算係数格納レジスタ３０２に格納し、その値を用いて演算するコンボリューション装置３０１にて適正な演算を行い、画像を復元する。

上述したように、光波面変調素子としての位相板をズーム光学系に備えた撮像装置に適用する場合、ズーム光学系のズーム位置によって生成されるスポット像が異なる。このため、位相板より得られる焦点ズレ画像（スポット画像）を後段のＤＳＰ等でコンボリューション演算する際、適性な焦点合わせ画像を得るためには、ズーム位置に応じて異なるコンボリューション演算が必要となる。
そこで、本実施形態においては、ズーム情報検出装置５００を設け、ズーム位置に応じて適正なコンボリューション演算を行い、ズーム位置によらず適性な焦点合わせ画像を得るように構成されている。

画像処理装置３００Ａにおける適正なコンボリーション演算には、コンボリューションの演算係数をレジスタ３０２に共通で１種類記憶しておく構成をとることができる。
この構成の他にも、以下の構成を採用することが可能である。

各ズーム位置に応じて、レジスタ３０２に補正係数を予め記憶しておき、この補正係数を用いて演算係数を補正し、補正した演算係数で適性なコンボリューション演算を行う構成、各ズーム位置に応じて、レジスタ３０２にカーネルサイズやコンボリューションの演算係数自体を予め記憶しておき、これら記憶したカーネルサイズや演算係数でコンボリューション演算行う構成、ズーム位置に応じた演算係数を関数としてレジスタ３０２に予め記憶しておき、ズーム位置によりこの関数より演算係数を求め、計算した演算係数でコンボリューション演算を行う構成等、を採用することが可能である。

図２８の構成に対応付けると次のような構成をとることができる。

変換係数記憶手段としてのレジスタ３０２にズーム光学系１１０のズーム位置またはズーム量に応じた位相板１１３ａに起因する収差に対応した変換係数を少なくとも２以上予め記憶する。画像処理演算プロセッサ３０３が、ズーム情報生成手段としてのズーム情報検出装置５００により生成された情報に基づき、レジスタ３０２からズーム光学系１１０のズ−ム位置またはズーム量に応じた変換係数を選択する係数選択手段として機能する。
そして、変換手段としてのコンボリューション装置３０１が、係数選択手段としての画像処理演算プロセッサ３０３で選択された変換係数によって、画像信号の変換を行う。

または、前述したように、変換係数演算手段としての画像処理演算プロセッサ３０３が、ズーム情報生成手段としてのズーム情報検出装置５００により生成された情報に基づき変換係数を演算し、レジスタ３０２に格納する。
そして、変換手段としてのコンボリューション装置３０１が、変換係数演算手段としての画像処理演算プロセッサ３０３で得られレジスタ３０２に格納された変換係数によって、画像信号の変換を行う。

または、補正値記憶手段としてのレジスタ３０２にズーム光学系１１０のズーム位置またはズーム量に応じた少なくとも１以上の補正値を予め記憶する。この補正値には、被写体収差像のカーネルサイズを含まれる。
第２変換係数記憶手段としても機能するレジスタ３０２に、位相板１１３ａに起因する収差に対応した変換係数を予め記憶する。
そして、ズーム情報生成手段としてのズーム情報検出装置５００により生成されたズーム情報に基づき、補正値選択手段としての画像処理演算プロセッサ３０３が、補正値記憶手段としてのレジスタ３０２からズーム光学系のズーム位置またはズーム量に応じた補正値を選択する。
変換手段としてのコンボリューション装置３０１が、第２変換係数記憶手段としてのレジスタ３０２から得られた変換係数と、補正値選択手段としての画像処理演算プロセッサ３０３により選択された補正値とに基づいて画像信号の変換を行う。

図２９に、露出情報と、物体距離情報と、ズーム情報とを用いた場合のフィルタの構成例を示す。
この例では、物体距離情報とズーム情報で２次元的な情報を形成し、露出情報が奥行きのような情報を形成している。

図３０は、撮影モード情報と露出情報とを組み合わせる画像処理装置の構成例を示す図である。
図３０は、撮像素子１２０からの被写体分散画像信号より分散のない画像信号を生成する画像処理装置３００Ｂの構成例を示している。

画像処理装置３００Ｂは、図２７および図２８と同様に、図３０に示すように、コンボリューション装置３０１、記憶手段としてのカーネル・数値演算係数格納レジスタ３０２、および画像処理演算プロセッサ３０３を有する。

この画像処理装置３００Ｂにおいては、物体概略距離情報検出装置６００から読み出した被写体の物体距離の概略距離に関する情報および露出情報を得た画像処理演算プロセッサ３０３では、その物体離位置に対して適正な演算で用いる、カーネルサイズやその演算係数をカーネル、数値算係数格納レジスタ３０２に格納し、その値を用いて演算するコンボリューション装置３０１にて適正な演算を行い、画像を復元する。

この場合も上述のように、光波面変調素子としての位相板(Wavefront Coding optical element)を備えた撮像装置の場合、所定の焦点距離範囲内であればその範囲内に関し画像処理によって適正な収差のない画像信号を生成できるが、所定の焦点距離範囲外の場合には、画像処理の補正に限度があるため、前記範囲外の被写体のみ収差のある画像信号となってしまう。
また一方、所定の狭い範囲内に収差が生じない画像処理を施すことにより、所定の狭い範囲外の画像にぼけ味を出すことも可能になる。
本例においては、主被写体までの距離を、距離検出センサを含む物体概略距離情報検出装置６００により検出し、検出した距離に応じて異なる画像補正の処理を行うように構成されている。

上記の画像処理はコンボリューション演算により行うが、これを実現するには、コンボリューション演算の演算係数を共通で１種類記憶しておき、物体距離に応じて補正係数を予め記憶しておき、この補正係数を用いて演算係数を補正し、補正した演算係数で適性なコンボリューション演算を行う構成、物体距離に応じた演算係数を関数として予め記憶しておき、焦点距離によりこの関数より演算係数を求め、計算した演算係数でコンボリューション演算を行う構成、物体距離に応じて、カーネルサイズやコンボリューションの演算係数自体を予め記憶しておき、これら記憶したカーネルサイズや演算係数でコンボリューション演算を行う構成等、を採用することが可能である。

本実施形態においては、上述したように、ＤＳＣのモード設定（ポートレイト、無限遠（風景）、マクロ）に応じて画像処理を変更する。

図３０の構成に対応付けると次のような構成をとることができる。

前述したように、変換係数演算手段としての画像処理演算プロセッサ３０３を通して操作部１９０の撮影モード設定部７００により設定される各撮影モードに応じて異なる変換係数を変換係数記憶手段としてのレジスタ３０２に格納する。
画像処理演算プロセッサ３０３が、撮影モード設定部７００の操作スイッチ７０１により設定された撮影モードに応じて、被写体距離情報生成手段としての物体概略距離情報検出装置６００により生成された情報に基づき、変換係数記憶手段としてのレジスタ３０２から変換係数を抽出する。このとき、たとえば画像処理演算プロセッサ３０３が変換係数抽出手段とて機能する。
そして、変換手段としてのコンボリューション装置３０１が、レジスタ３０２に格納された変換係数によって、画像信号の撮影モードに応じた変換処理を行う。

なお、図５や図６の光学系は一例であり、本発明は図５や図６の光学系に対して用いられるものとは限らない。また、スポット形状についても図７および図８は一例であり、本実施形態のスポット形状は、図７および図８に示すものとは限らない。
また、図１９、図２０、および図２１のカーネルデータ格納ＲＯＭに関しても、光学倍率、Ｆナンバやそれぞれのカーネルのサイズ、値に対して用いられるものとは限らない。また用意するカーネルデータの数についても３個とは限らない。
図２９のように３次元、さらには４次元以上とすることで格納量が多くなるが、種々の条件を考慮してより適したものを選択することができるようになる。情報としては、上述した露出情報、物体距離情報、ズーム情報、撮像モード情報等であればよい。

なお、上述のように、光波面変調素子としての位相板(Wavefront Coding optical element)を備えた撮像装置の場合、所定の焦点距離範囲内であればその範囲内に関し画像処理によって適正な収差のない画像信号を生成できるが、所定の焦点距離範囲外の場合には、画像処理の補正に限度があるため、前記範囲外の被写体のみ収差のある画像信号となってしまう。
また一方、所定の狭い範囲内に収差が生じない画像処理を施すことにより、所定の狭い範囲外の画像にぼけ味を出すことも可能になる。

以上説明したように、本実施形態によれば、１次画像を形成する光学系１１０および撮像素子１２０と、１次画像を高精細な最終画像に形成する画像処理装置１５０とを含み、制御装置２００は、絞り情報を検出し、絞りを所定値まで絞らない場合（開放）は、撮像素子１２０で撮像されＡＦＥ１３０を介した被写体分散画像信号を画像処理装置１５０に入力して分散のない復元した画像信号をカメラ信号処理部１６０に入力し、絞りを所定値以上絞った場合には撮像素子１２０で撮像されＡＦＥ１３０を介した被写体分散画像信号を画像処理装置１５０を経ずにカメラ信号処理部１６０に直接入力するように切替部１４０を制御するので、光学系を簡単化でき、コスト低減を図ることができ、しかも絞り制御に応じた適切な画質の、ノイズの影響が小さい復元画像を得ることができる利点がある。
また、コンボリューション演算時に用いるカーネルサイズやその数値演算で用いられる係数を可変とし、操作部１９０等の入力により知り、適性となるカーネルサイズや上述した係数を対応させることにより、倍率やデフォーカス範囲を気にすることなくレンズ設計ができ、かつ精度の高いコンボリュ−ションによる画像復元が可能となる利点がある。
また、難度が高く、高価でかつ大型化した光学レンズを必要とせずに、かつ、レンズを駆動させること無く、撮影したい物体に対してピントが合い、背景はぼかすといった、いわゆる自然な画像を得ることができる利点がある。
そして、本実施形態に係る撮像装置１００は、デジタルカメラやカムコーダー等の民生機器の小型、軽量、コストを考慮されたズームレンズのＤＥＯＳに使用することが可能である。

また、本実施形態においては、結像レンズ１１２による撮像素子１２０の受光面への結像の波面を変形させる波面形成用光学素子を有する撮像レンズ系と、撮像素子１２０による１次画像ＦＩＭを受けて、１次画像の空間周波数におけるＭＴＦをいわゆる持ち上げる所定の補正処理等を施して高精細な最終画像ＦＮＬＩＭを形成する画像処理装置１５０とを有することから、高精細な画質を得ることが可能となるという利点がある。
また、光学系１１０の構成を簡単化でき、製造が容易となり、コスト低減を図ることができる。

ところで、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサを撮像素子として用いた場合、画素ピッチから決まる解像力限界が存在し、光学系の解像力がその限界解像力以上であるとエリアジングのような現象が発生し、最終画像に悪影響を及ぼすことは周知の事実である。
画質向上のため、可能な限りコントラストを上げることが望ましいが、そのことは高性能なレンズ系を必要とする。

しかし、上述したように、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサを撮像素子として用いた場合、エリアジングが発生する。
現在、エリアジングの発生を避けるため、撮像レンズ装置では、一軸結晶系からなるローパスフィルタを併用し、エリアジングの現象の発生を避けている。
このようにローパスフィルタを併用することは、原理的に正しいが、ローパスフィルタそのものが結晶でできているため、高価であり、管理が大変である。また、光学系に使用することは光学系をより複雑にしているという不利益がある。

以上のように、時代の趨勢でますます高精細の画質が求められているにもかかわらず、高精細な画像を形成するためには、従来の撮像レンズ装置では光学系を複雑にしなければならない。複雑にすれば、製造が困難になったりし、また高価なローパスフィルタを利用したりするとコストアップにつながる。
しかし、本実施形態によれば、ローパスフィルタを用いなくとも、エリアジングの現象の発生を避けることができ、高精細な画質を得ることができる。

なお、本実施形態において、光学系の波面形成用光学素子を絞りより物体側レンズよりに配置した例を示したが、絞りと同一あるいは絞りより結像レンズ側に配置しても前記と同様の作用効果を得ることができる。

また、図５や図６の光学系は一例であり、本発明は図５や図６の光学系に対して用いられるものとは限らない。また、スポット形状についても図７および図８は一例であり、本実施形態のスポット形状は、図５および図６に示すものとは限らない。
また、図１９、図２０、および図２１のカーネルデータ格納ＲＯＭに関しても、光学倍率、Ｆナンバやそれぞれのカーネルのサイズ、物体距離の値に対して用いられるものとは限らない。また用意するカーネルデータの数についても３個とは限らない。

本発明によれば、光学系を簡単化でき、コスト低減を図ることができ、しかも絞り制御に応じた適切な画質の、ノイズの影響が小さい復元画像を得ることが可能なことから、デジタルスチルカメラや携帯電話搭載カメラ、携帯情報端末搭載カメラ、画像検査装置、自動制御用産業カメラ等に適用可能である。

Claims (23)

1. 光学系と、
   光学的伝達関数（ＯＴＦ）を変調させる光波面変調素子と、
   可変絞りと、
   前記光学系、可変絞り、および前記光波面変調素子を通過した被写体像を撮像する撮像素子と、
   前記撮像素子からの被写体分散画像信号より分散のない画像信号を生成する変換手段と、
   前記画像信号に所定の演算処理を行う信号処理部と、
   前記信号処理部の演算係数を格納するメモリ手段と、
   絞りを制御する制御手段と、を有し、
   前記制御手段は、
   絞りを所定値まで絞らない場合は、前記撮像素子からの被写体分散画像信号を前記変換手段に入力して分散のない画像信号を前記信号処理部に入力し、絞りを所定値以上絞った場合には前記撮像素子からの被写体分散画像信号を前記変換手段を経ずに前記信号処理部に入力する
   撮像装置。
2. 前記光波面変調素子が、物体距離に応じたＯＴＦの変化を、光波面変調素子を持たない光学系よりも小さくする作用を持つ
   請求項１記載の撮像装置。
3. 前記光波面変調素子を有する光学系のＯＴＦが、前記光波面変調素子を含まない光学系の被写界深度よりも広い物体距離にわたって、前記撮像素子のナイキスト周波数まで０．１以上である
   請求項１記載の撮像装置。
4. 前記光波面変調素子が、前記光学系の光軸をｚ軸とし、互いに直交する２軸をｘ、ｙとしたとき、位相が下記式で表される
   請求項１記載の撮像装置。
   

   
5. 前記信号処理部は、ノイズ低減フィルタリングを施す手段を有する
   請求項１記載の撮像装置。
6. 前記メモリ手段には、露出情報に応じたノイズ低減処理のための演算係数が格納される
   請求項１記載の撮像装置。
7. 前記メモリ手段には、露出情報に応じた光学的伝達関数（OTF）復元のための演算係数が格納される
   請求項１記載の撮像装置。
8. 前記露出情報として絞り情報を含む
   請求項６記載の撮像装置。
9. 前記撮像装置は、
   被写体までの距離に相当する情報を生成する被写体距離情報生成手段と、を備え、
   前記変換手段は、前記被写体距離情報生成手段により生成される情報に基づいて前記分散画像信号より分散のない画像信号を生成する
   請求項１記載の撮像装置。
10. 前記撮像装置は、
    被写体距離に応じて少なくとも前記光波面変調素子または前記光学系に起因する分散に対応した変換係数を少なくとも２以上予め記憶する変換係数記憶手段と、
    前記被写体距離情報生成手段により生成された情報に基づき、前記変換係数記憶手段から被写体までの距離に応じた変換係数を選択する係数選択手段と、を備え、
    前記変換手段は、前記係数選択手段で選択された変換係数によって、画像信号の変換を行う
    請求項９記載の撮像装置。
11. 前記撮像装置は、
    前記被写体距離情報生成手段により生成された情報に基づき変換係数を演算する変換係数演算手段、を備え、
    前記変換手段は、前記変換係数演算手段から得られた変換係数によって、画像信号の変換を行う
    請求項９記載の撮像装置。
12. 前記撮像装置は、
    前記光学系はズーム光学系を含み、
    前記ズーム光学系のズーム位置またはズーム量に応じた少なくとも１以上の補正値を予め記憶する補正値記憶手段と、
    少なくとも前記光波面変調素子または前記光学系に起因する分散に対応した変換係数を予め記憶する第２変換係数記憶手段と、
    前記被写体距離情報生成手段により生成された情報に基づき、前記補正値記憶手段から被写体までの距離に応じた補正値を選択する補正値選択手段と、を備え、
    前記変換手段は、前記第２変換係数記憶手段から得られた変換係数と、前記補正値選択手段から選択された前記補正値とによって、画像信号の変換を行う
    請求項１記載の撮像装置。
13. 前記補正値記憶手段で記憶する補正値が前記被写体分散像のカーネルサイズを含む
    請求項１２記載の撮像装置。
14. 前記撮像装置は、
    被写体までの距離に相当する情報を生成する被写体距離情報生成手段と、
    前記被写体距離情報生成手段により生成された情報に基づき変換係数を演算する変換係数演算手段と、を備え、
    前記変換手段は、前記変換係数演算手段から得られた変換係数によって、画像信号の変換を行い分散のない画像信号を生成する
    請求項１記載の撮像装置。
15. 前記変換係数演算手段は、前記被写体分散像のカーネルサイズを変数として含む
    請求項１４記載の撮像装置。
16. 記憶手段を有し、
    前記変換係数演算手段は、求めた変換係数を前記記憶手段に格納し、
    前記変換手段は、前記記憶手段に格納された変換係数によって、画像信号の変換を行い分散のない画像信号を生成する
    請求項１４記載の撮像装置。
17. 前記変換手段は、前記変換係数に基づいてコンボリューション演算を行う
    請求項１４記載の撮像装置。
18. 前記撮像装置は、
    撮影する被写体の撮影モードを設定する撮影モード設定手段と、を備え、
    前記変換手段は、前記撮影モード設定手段により設定された撮影モードに応じて異なる変換処理を行う
    請求項１記載の撮像装置。
19. 前記撮影モードは通常撮影モードの他、マクロ撮影モードまたは遠景撮影モードのいずれか１つを有し、
    前記マクロ撮影モードを有する場合、前記変換手段は、通常撮影モードにおける通常変換処理と、当該通常変換処理に比べて近接側に分散を少なくするマクロ変換処理と、を撮影モードに応じて選択的に実行し、
    前記遠景撮影モードを有する場合、前記変換手段は、通常撮影モードにおける通常変換処理と、当該通常変換処理に比べて遠方側に分散を少なくする遠景変換処理と、を撮影モードに応じて選択的に実行する
    請求項１８記載の撮像装置。
20. 前記撮影モード設定手段により設定される各撮影モードに応じて異なる変換係数を記憶する変換係数記憶手段と、
    前記撮影モード設定手段により設定された撮影モードに応じて前記変換係数記憶手段から変換係数を抽出する変換係数抽出手段と、を備え、
    前記変換手段は、前記変換係数抽出手段から得られた変換係数によって、画像信号の変換を行う
    請求項１８記載の撮像装置。
21. 前記変換係数記憶手段は前記被写体分散像のカーネルサイズを変換係数として含む
    請求項２０に記載の撮像装置。
22. 前記モード設定手段は、
    撮影モードを入力する操作スイッチと、
    前記操作スイッチの入力情報により被写体までの距離に相当する情報を生成する被写体距離情報生成手段と、を含み、
    前記変換手段は、前記被写体距離情報生成手段により生成される情報に基づいて前記分散画像信号より分散のない画像信号に変換処理する
    請求項１８記載の撮像装置。
23. 光学系、可変絞り、および光波面変調素子を通過した被写体像を撮像する撮像素子を有する撮像装置の画像処理方法であって、
    絞りを所定値まで絞らない場合は、前記撮像素子からの被写体分散画像信号より分散のない画像信号を生成し、当該分散のない画像信号に対して所定の信号処理を行い、
    絞りを所定値以上絞った場合には、前記撮像素子からの被写体分散画像信号に対して所定の信号処理を行う
    撮像装置の画像処理方法。

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