JPWO2017149687A1 - 撮像装置 - Google Patents
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Abstract
Description
この技術は、画像センサに特殊な回折格子基板を貼り付け、回折格子基板を透過する光が画像センサ上で生じる射影パターンから、入射光の入射角を逆問題により求めることで、外界の物体の像を得るものである。
本発明の目的は、簡単な演算を用いた、撮像装置の高機能化を可能とする技術を提供することにある。
また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
図1は、本実施の形態1による撮像装置101における構成の一例を示す説明図である。撮像装置101は、結像させるレンズを用いることなく、外界の物体の画像を取得するものであり、図1に示すように、変調器102、画像センサ103、および画像処理部106から構成されている。
格子パターン104,105を透過する光は、その格子パターンによって光の強度が変調される。透過した光は、画像センサ103にて受光される。画像センサ103は、例えばCCD(Charge Coupled Device)イメージセンサまたはCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサなどからなる。
続いて、画像処理部106による画像処理の概略について説明する。図5は、図1の撮像装置101が有する画像処理部106による画像処理の概略を示すフローチャートである。
に限定するものではない。
式5から鋭いピークを持つ成分のみを
変調器102の表面側に形成された第1の格子パターン104と裏面側に形成された第2の格子パターン105とは、軸がそろっている。図7(a)では、第1の格子パターン104と第2の格子パターン105との影が一致するのでモアレ縞は生じない。
受光できる平行光の入射角の最大角度をθmaxとすると、
ここで、式13より画角は変調器102の厚さt、格子パターン104,105の係数βによって変更可能であることが判る。よって、例えば変調器102が図3の構成であり支持部材102bの長さを変更可能な機能を有していれば、撮影時に画角を変更して撮影することも可能となる。
〈有限距離物体の撮影原理〉
ここで、これまで述べた無限遠の場合における表面側の第1の格子パターン104の裏面への射影の様子を図14に示す。無限遠の物体を構成する点1401からの球面波は、十分に長い距離を伝搬する間に平面波となり表面側の第1の格子パターン104を照射し、その投影像1402が下の面に投影される場合、投影像は第1の格子パターン104とほぼ同じ形状である。結果、投影像1402に対して、裏面側の格子パターン(図1の第2の格子パターン105に相当)の透過率分布を乗じることにより、等間隔な直線状のモアレ縞を得ることができる(図15)。
これにより、必ずしも無限遠でない距離の点1601からの光を選択的に再生することができる。これによって、任意の位置に焦点合わせて撮影を行うことができる。
この時の変調器1901の構成の詳細を図20に示す。この構成によって、格子基板102aに形成する格子パターンを1面減らすことができる。それにより、変調器の製造コストを低減することができる。
また、以上は強度変調部1903により第2の格子パターン105に相当する処理を実現したが、第2の格子パターン105はセンサに密着して入射する光の強度を変調する光学素子であるため、センサの感度を実効的に第2の格子パターン105の透過率を加味して設定することによっても実現できる。
裏面側の第2の格子パターン105の係数βをβ/αとする計算を行う。その後S2101において、該係数に基づいて裏面側の格子パターンを透過したことに相当するモアレ縞画像を生成する。以降、図23のステップS501〜S506の処理は、図5の処理と同様であるので、ここでは説明を省略する。
なお、モアレ縞から空間周波数スペクトルを算出する方法として高速フーリエ変換を例に説明したが、これに限定されるものではなく、離散コサイン変換(DCT:Discrete Cosine Transform)などを使用しても実現可能であり、さらに演算量を削減することも可能である。
図25は、図24のフォーカス位置算出部2401によるオートフォーカスの概略を示すフローチャートである。本オートフォーカスは、フォーカス位置を分解能Δfずつシフトさせながら現像処理し、コントラストが最大となる位置を算出することによって実現する。この処理について詳細に説明する。
このフォーカス位置算出部2401において得られたフォーカス位置情報に基づき、画像処理部2202で画像処理を行えば、最適なフォーカスでの撮影が可能となる。
また、フォーカス位置の走査範囲はユーザが予め設定することも可能である。
また、フォーカス位置をΔfずつシフトする方法について説明したが、これに限定するものではない。フォーカス位置が変わることによる像のボケ方は、遠方ほど位置に対する感度が低くなるため、撮像装置101近傍は細かく、遠方は粗くシフトさせることでより高精度・高速な探索が可能となる。
これらのことは他の実施例においても適用できる。
図29は、図28の距離計測部2801による距離計測の概略を示すフローチャートである。本距離計測は、実施例2のオートフォーカスの原理を領域毎に実施することで、最適なフォーカス位置(=物体が存在する位置)を計測することによって実現する。この処理について詳細に説明する。
また、2次元の距離測定が不要な場合、図32に示すように撮像範囲内の領域2601を横方向に分割し、分割領域3001単位で距離測定することもできる。これにより、水平方向のみの距離測定しか行えないが、縦方向の情報を使うことにより距離情報のSNRを向上可能である。もちろん、撮像範囲内の領域2601の分割を縦方向に行うことにより、垂直方向のみの距離測定とすることも可能である。
これらのことは他の実施例においても適用できる。
そこで、本実施例では1次元方向の測距に特化した構成について説明する。本実施例の構成は実施例3における図28と同一でよいが、変調器1901の第1の格子パターン104を図33に示すように1次元方向のパターンとする。このパターンにおける複数の直線は、基準座標に対して直線間距離が反比例して狭くなっている。このパターンは、
これらのことは他の実施例においても適用できる。
本構成において、撮像装置101出力を有線もしくは無線LAN(Local Area Network)を介してインターネットに接続するなどすれば、信号処理部3701はサーバなどで行っても良く、撮像装置101の大きさを制限することが無くなる。
しかし、図37の構成では画像センサ103出力のデータ容量が大きいことが問題になると考えられる。そこで、実施例2などのように、フォーカス位置が決まっている場合に画像を圧縮する方法について図38で説明する。
また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の記録装置、または、ICカード、SDカード、DVD等の記録媒体に置くことができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
Claims (15)
- 撮像面にアレイ状に配列された複数の画素に取り込まれた光学像を画像信号に変換して出力する画像センサと、
前記画像センサの受光面に設けられ、光の強度を変調する変調器と、
前記画像センサから出力される画像信号を一時的に格納する画像記憶部と、
前記画像記憶部から出力される画像信号の画像処理を行う信号処理部と、
を具備し、
前記変調器は、複数の同心円から構成される第1の格子パターンを有し、
前記信号処理部は、前記画像記憶部から出力される画像信号を、複数の同心円から構成される仮想的な第2の格子パターンで変調することでモアレ縞画像を生成し、フォーカス位置に応じて前記第2の格子パターンの同心円の大きさを変更することを特徴とする撮像装置。 - 請求項1に記載の撮像装置において、
適切なフォーカス位置を推定するフォーカス位置算出部を具備し、
前記フォーカス位置算出部は、フォーカス位置を変化させながら、モアレ縞画像に基づいて得られる画像の評価指標を算出し、前記評価指標のピークを検出することにより適切なフォーカス位置を推定することを特徴とする撮像装置。 - 請求項1に記載の撮像装置において、
前記信号処理部は、フォーカス位置を変化させながら、モアレ縞画像に基づいて得られる画像の評価指標を分割した領域毎に算出し、前記領域毎に前記評価指標のピークを検出することにより前記領域毎に被写体までの距離を推定することを特徴とする撮像装置。 - 請求項3に記載の撮像装置において、
前記領域は、撮影範囲の水平方向にのみ分割されていることを特徴とする撮像装置。 - 請求項3に記載の撮像装置において、
前記領域は、撮影範囲の垂直方向にのみ分割されていることを特徴とする撮像装置。 - 請求項1乃至5に記載の撮像装置において、
前記第1の格子パターン及び前記第2の格子パターンにおける前記複数の同心円は、同心円の中心となる基準座標に対して同心円のピッチが反比例して細かくなることを特徴とする撮像装置。 - 請求項1乃至5に記載の撮像装置において、
前記信号処理部は、生成した前記モアレ縞画像を2次元フーリエ変換して周波数スペクトルを算出することを特徴とする撮像装置。 - 撮像面にアレイ状に配列された複数の画素に取り込まれた光学像を画像信号に変換して出力する画像センサと、
前記画像センサの受光面に設けられ、光の強度を変調する変調器と、
前記画像センサから出力される画像信号を一時的に格納する画像記憶部と、
前記画像記憶部から出力される画像信号の画像処理を行う信号処理部と、
を具備し、
前記変調器は、複数の直線から構成される第1の格子パターンを有し、
前記信号処理部は、前記画像記憶部から出力される画像信号を、複数の直線から構成される仮想的な第2の格子パターンで変調することでモアレ縞画像を生成し、
前記信号処理部は、フォーカス位置に応じて前記第2の格子パターンの直線間距離を変更することを特徴とする撮像装置。 - 請求項8に記載の撮像装置において、
適切なフォーカス位置を推定するフォーカス位置算出部を具備し、
前記フォーカス位置算出部は、フォーカス位置を変化させながら、モアレ縞画像に基づいて得られる画像の評価指標を算出し、前記評価指標のピークを検出することにより適切なフォーカス位置を推定することを特徴とする撮像装置。 - 請求項8に記載の撮像装置において、
被写体までの距離を推定する距離計測部を具備し、
前記距離計測部は、フォーカス位置を変化させながら、モアレ縞画像に基づいて得られる画像の評価指標を分割した領域毎に算出し、前記複数の領域毎に前記評価指標のピークを検出することにより複数の領域毎に被写体までの距離を推定することを特徴とする撮像装置。 - 請求項8乃至10に記載の撮像装置において、
前記第1の格子パターン及び前記第2の格子パターンにおける前記複数の直線は、基準座標に対して直線間距離が反比例して狭くなることを特徴とする撮像装置。 - 請求項8乃至10に記載の撮像装置において、
前記信号処理部は、生成した前記モアレ縞画像を1次元フーリエ変換して周波数スペクトルを算出することを特徴とする撮像装置。 - 撮像面にアレイ状に配列された複数の画素に取り込まれた光学像を画像信号に変換して出力する画像センサと、
前記画像センサの受光面に設けられ、光の強度を変調する変調器と、
前記画像記憶部から出力される画像信号の画像処理を行う信号処理部と、
を具備し、
前記変調器は、複数の直線から構成される第1の格子パターンと第2の格子パターンを有し、
前記変調器は、前記第1の格子パターンを透過する光を前記第2の格子パターンにて強度変調することでモアレ縞画像を生成することを特徴とする撮像装置。 - 請求項13に記載の撮像装置において、
前記第1の格子パターン及び前記第2の格子パターンにおける前記複数の直線は、基準座標に対して直線間距離が反比例して狭くなることを特徴とする撮像装置。 - 請求項13に記載の撮像装置において、
前記信号処理部は、前記画像信号を1次元フーリエ変換して周波数スペクトルを算出することを特徴とする撮像装置。
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