TWI402552B - A photographing system, a photographing device including the photographing system, a portable terminal device, a vehicle-mounted device, and a medical device - Google Patents

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Description

攝影系統、具備此攝影系統的攝影裝置、便攜終端設備、車載設備、以及醫療設備
本發明係關於一種使用復原處理提高拍攝被攝體的光學像而得到的圖像數據的品質的攝影系統、具備此攝影系統的攝影裝置、便攜終端設備、車載設備、及醫療設備。
眾所周知，利用具有透過二維狀配置多個受光像素而成的受光面的CCD元件或CMOS元件等的攝影元件、對透過攝影透鏡成像在受光面上的被攝體的光學像進行拍攝的攝影系統。
此外，這種攝影系統的一例，將具有設計成景深變深的攝影透鏡的攝影系統直接安裝在電路基板上的車載用照相機或行動電話用照相機等被實用化(參照專利文獻1)。由於這種直接安裝在電路基板的攝影系統的大小被限制，因此按照減小裝置尺寸的方式進行設計。
進一步，習知的有，在高性能的車載用照相機或行動電話用照相機中所使用的攝影系統，具有攝影透鏡的解析度接近衍射極限的性能的照相機。
【專利文獻1】(日本)特表2007-147951號公報
然而，對使用這種攝影系統得到的圖像，要求進一步提高解析度。
另一方面，為了使透過攝影系統得到的圖像解析度得到提高，有必要增大受光像素數，並且，提高攝影透鏡的解析度。即，例如，透過排列在攝影元件的受光面上的受光像素的像素密度得到提高，並且，提高攝影透鏡的解析度以使透過攝影透鏡投影到其受光面上的點像收集在一個受光像素的範圍內，由此，可以提高使用攝影系統得到的圖像解析度。
此處，不加大裝置尺寸而提高構成攝影元件的受光像素的像素密度的技術，可以透過近幾年的技術的提高而較容易地實現。
另一方面，提高攝影透鏡的解析度是極為困難的。即，為了不加大攝影透鏡的尺寸或降低景深深度而提高此攝影透鏡的解析度，有必要控制構成攝影透鏡的各透鏡的形狀誤差或組裝誤差等。然而，這種攝影透鏡的解析度已被提高到接近衍射極限為止，所以透過進一步提高製作精度(加工、組裝、調整精度等)來提高解析度是非常困難的問題。
本發明鑒於上述問題而提出的，其目的在於，提供一種可提高拍攝投影到受光面的光學像而得到的圖像數據的品質的攝影系統、具備此攝影系統的攝影裝置、便攜終端設備、車載設備、及醫療設備。
本發明的攝影系統，其中，具有：攝影透鏡；攝影元件，具有二維狀排列多個受光像素而構成的受光面，拍攝透過攝影透鏡投影到受光面上的被攝體的光學像而輸出表示該被攝體的第一圖像數據；信號處理單元，對第一圖像數據實施在攝影透鏡的解析度高時生成與從攝影元件輸出的第一圖像數據同等的第二圖像數據的復原處理，攝影透鏡和攝影元件構成為對從X、Y、Z方向的任意位置透過該攝影透鏡投影到受光面上的點像也使得該點像的有效區域的最大直徑成為受光面像素的3像素以上的大小。
上述攝影透鏡構成為，對從離開該攝影透鏡的焦距10倍以上的X、Y、Z方向的任意位置透過其攝影透鏡投影到受光面上的被攝體的光學像，與該光學像有關的MTF特性的值也成為正。
上述信號處理單元將由受光面上的縱向3像素以上及橫向3像素以上構成的合計9像素以上的像素區域作為最小單位進行復原處理，或者將包含投影到受光面上的點像的有效區域的全部的最小像素區域作為最小單位實施復原處理。
上述信號處理單元進行復原處理，使得第二圖像數據表示的圖像中的上述點像的有效區域的大小小於第一圖像數據表示的圖像中的點像的有效區域的大小。
上述信號處理單元利用與第一圖像數據表示的點像狀態對應的復原係數實行上述復原處理。
上述復原係數可以是按每個攝影系統對該攝影系統單獨求出的，或者是從與分為多個種類的點像的各狀態對應的各復原係數的候補中按照第一圖像數據表示的點像的狀態所選擇的，或者是透過從與分為多個種類的該點像的各狀態對應的多種復原係數的候補中按照上述第一圖像數據表示的該點像的狀態所選擇出的復原係數進一步根據點像的狀態進行校正而成的。
上述攝影系統，還可以包括取得復原係數的復原係數取得單元。
本發明的攝影裝置，其中，包括上述攝影系統。
本發明的便攜終端設備，其中，包括上述攝影系統。
本發明的車載設備，其中，包括上述攝影系統。
本發明的醫療設備，其中，包括上述攝影系統。
投影到上述受光面上的點像的有效區域的最大直徑可以是投影到受光面上的點像的有效區域在包含最多的受光像素的方向上的該有效區域的直徑，上述「點像的有效區域的最大直徑是3像素以上的大小的結構」可以是「點像的有效區域在包含最多的受光像素的方向上，該有效區域是受光像素的3像素以上的大小的結構」。
上述「點像的有效區域」意味著具有表示點像的光強分佈中的峰值強度的1/e2 (大約13.5%)以上的光強的區域。
此外，上述「復原處理」可以採用(日本)特開2000-123168號公報、0002～0016段中介紹的圖像復原處理等。並且，在復原處理的實施中，可以應用後述的非專利文獻[鷲澤嘉一、山下幸彥著，題目「Kernel Wiener Filter」，2003 Workshop on Information-Based Induction Sciences，(IBIS2003)，Kyoto，Japan，Nov 11-12，2003]的技術等。
而且，上述「離開攝影透鏡的焦距10倍以上的位置」是意味著「以在構成攝影透鏡的透鏡面中的且最靠被攝體側(物側)的面和此攝影透鏡的光軸交叉的位置為基準位置，從此基準位置沿著其攝影透鏡的光軸方向(Z軸方向)向被攝體側離開焦距10倍以上的位置」。
本發明的攝影系統將攝影透鏡和攝影元件構成為：對從任意位置透過攝影透鏡投影到受光面上的點像，也使得此點像有效區域的最大直徑成為受光像素的3像素以上的大小，並且，對從攝影元件輸出的第一圖像數據實施在此攝影透鏡的解析度高時生成與從攝影元件輸出的第一圖像數據同等的第二圖像數據的復原處理，所以，可容易提高拍攝投影到受光面的光學像而得到的圖像數據的品質。
即，在本發明的攝影系統中，利用解析度低的攝影透鏡，可以獲得與對透過比此攝影透鏡具有高的解析度的攝影透鏡投影的光學像進行拍攝得到的圖像同等的圖像。例如，透過攝影透鏡被投影的點像的有效區域是受光面上的縱方向3像素及橫方向3像素的合計9像素的區域。於是，對拍攝此合計9像素的點像從攝影元件輸出的第一圖像數據實施復原處理以生成與在例如點像有效區域收劍於受光面上的1像素的區域內時從攝影元件輸出的第一圖像數據(即，攝影透鏡的解析度高時從攝影元件輸出的第一圖像數據)同等的第二圖像數據，因此，可以用比第一圖像數據表示的圖像解析度高的解析度得到表示相同的圖像的第二圖像數據。
進一步，在此攝影系統中，也可以對從任意位置透過攝影透鏡投影到受光面上的光學像實施上述復原處理，所以，可以提高第一圖像數據表示的圖像整體的解析度。即，也可以將第二圖像數據表示的圖像中的任意區域的解析度解像力設為比第一圖像數據表示的圖像解析度解像力高。
由此，與如以往那樣提高攝影系統的製作精度(加工、組裝、調整精度等)來提高攝影透鏡的解析度等的情況相比，可以更加容易提高圖像數據的品質。
而且，若將攝影透鏡構成為，對從離開此攝影透鏡的焦距10倍以上的X、Y、Z方向的任意位置透過其攝影透鏡投影到受光面上的被攝體的光學像，與此光學像的MTF特性值也成為正，則對表示距離攝影透鏡的焦距10倍以上的位置的被攝體的第一圖像數據，可更加可靠地提高其品質。
而且，若信號處理單元將由受光面上的縱向3像素以上及橫向3像素以上構成的合計9像素以上的像素區域作為最小單位進行復原處理，則可更加可靠地實施復原處理。
而且，若信號處理單元將包含投影到受光面上的點像的有效區域的全部的最小像素區域作為最小單位實施復原處理，則可抑制復原處理的運算量的增大，且可以有效地實施復原處理。
此外，若信號處理單元實施復原處理，使得第二圖像數據表示的圖像中的上述點像的有效區域的大小小於第一圖像數據表示的圖像中的點像的有效區域的大小，就能夠更可靠地提高圖像數據的性質。
這裡，信號處理單元若利用與第一圖像數據表示的圖像中的點像的狀態(以下，還稱為點像的模糊狀態)對應的復原係數實施復原處理，則可以獲得更加正確地校正上述點像的模糊狀態而成的第二圖像數據，所以，可以更加可靠地提高圖像數據的品質。
而且，還將「點像的狀態」稱為「點像的模糊狀態」，其理由在於，透過攝影透鏡投影到受光面上的點像、及拍攝該點像而得到的第一圖像數據表示的點像，因圖像透鏡像差的影響等，而其品質與對應於該點像的物點即被攝體相比有些劣化。即，在例如被攝體為解析度圖表時，透過攝影透鏡投影到受光面上的解析度圖表的像、及拍攝該解析度圖表的像而得到的第一圖像數據表示的解析度圖表的圖像的解析度，低於作為被攝體的解析度圖表的解析度。並且，該「點像的狀態」或「點像的模糊狀態」主要表示點像的解析度的劣化狀態。
此外，若將復原係數設為按每個攝影系統對該攝影系統單獨求出的復原係數，則可以更準確地求出能提高圖像數據的品質的復原係數。
而且，若將復原係數設為從與分為多個種類的點像的各模糊狀態對應的各復原係數的候補中按照第一圖像數據表示的點像的模糊狀態所選擇出的復原係數，則與對每個攝影系統單獨求出復原係數的情況相比，可以更容易取得復原係數。
而且，若將復原係數設為透過從與分為多個種類的該點像的各狀態對應的多種復原係數的候補中按照第一圖像數據表示的該點像的狀態所選擇出的復原係數進一步根據點像的狀態進行校正而成的復原係數，則與對每個攝影系統單獨求出復原係數的情況相比，可以抑制求出復原係數時的精度下降的同時更容易取得該復原係數。
而且，若攝影系統具有取得復原係數的復原係數取得單元，則可以更可靠地取得復原係數。
本發明的攝影裝置、便攜終端設備、車載設備、醫療設備的每一個具有上述攝影系統，所以可以如上所述地容易提高對投影到受光面的光學像進行拍攝而得到的圖像數據的品質。
下面，利用圖式對本發明的實施方式進行說明。圖1是表示本發明的攝影系統的簡要結構的方塊圖。
[關於攝影系統的結構]
以下，對攝影系統的結構進行說明。
圖1所示的本發明的攝影系統100具有：攝影透鏡10：攝影元件20，具有透過二維狀排列多個受光像素而成的受光面21，該攝影元件對透過攝影透鏡10投影到受光面21上的被攝體的光學像P1進行拍攝而輸出表示該被攝體的第一圖像數據G1；和信號處理部40，對第一圖像數據G1實施在攝影透鏡10的解析度高時生成與從攝影元件20輸出的第一圖像數據G1同等的第二圖像數據G2的復原處理。
攝影透鏡10和攝影元件20構成為對從X、Y、Z方向的任意位置透過攝影透鏡10投影到受光面21上的點像(P1)，也使得此點像(P1)的有效區域的最大直徑成為受光像素的3像素以上。
此處，投影到受光面21上的點像的有效區域的最大直徑是投影到受光面21上的點像P1的有效區域在包含最多的受光像素的方向上的該點像P1有效區域的直徑。
而且，在圖1中用箭頭Z表示的方向是攝影透鏡10的光軸方向，用箭頭X、Y表示的方向是與受光面21平行的方向。
在攝影系統100的外部設有取得與由從攝影元件20輸出的第一圖像數據G1表示的點像P1的模糊狀態對應的復原係數K的復原係數取得裝置70A。上述信號處理部40使用復原係數取得裝置70A取得的復原係數K實施復原處理F。
此處，攝影系統100包括儲存復原係數取得裝置70A取得的復原係數K的係數儲存部30，但此係數儲存部30也可以內裝在信號處理部40。進一步，係數儲存部30未必一定包括在攝影系統100。
上述復原係數取得裝置70A具有：理想點像儲存部72，預先儲存有在包含攝影透鏡10的光學系統中完全沒有誤差時的與點像有關的設計數據或與優越於它的理想點像狀態有關的理想點像狀態數據中的任一個數據Dr；點像模糊狀態取得部73，用於取得由從攝影元件20輸出的第一圖像數據G1表示的點像P1的模糊狀態得到表示的模糊點像狀態數據Db；復原係數取得部78A，輸入表示由此點像模糊狀態取得部73取得的上述點像P1的模糊狀態的模糊點像狀態數據Db及儲存在理想點像儲存部72中的設計數據或理想點像狀態數據的數據Dr，並透過利用兩者的運算而取得表示與上述第一圖像數據G1表示的點像P1的模糊狀態對應的復原係數K的係數數據Dk，將該係數數據Dk表示的復原係數K儲存在係數儲存部30中。
此外，用於本發明的攝影系統的攝影透鏡不限於必定透過該攝影透鏡將光學像準確「成像」在受光面上的攝影透鏡，即使是未透過攝影透鏡將光學像準確「成像」在受光面上的攝影透鏡也可以採用。因此在本發明中對透過攝影透鏡將光學像「投影」在受光面上的情況進行說明。「未成像」狀態可以解釋為所謂模糊的像，但是包括例如由製造誤差引起的生成比本來的點像更擴展的點像的狀態、或由於設計性的制約條件(光學系統的大小或成本)只能提供比設計值自身本來想得到的點像大的點像的狀況。
而且，主要表示點像的解析度的劣化狀態的模糊點像狀態數據Db，例如可以表示點像P1的有效區域的大小或點像P1的受光面上的亮度分佈(在圖像中的濃度分佈)等。
[關於攝影系統的作用]
接著，對上述攝影系統的作用進行說明。
首先，對由復原係數取得裝置求出復原係數而將該復原係數儲存在係數儲存部時的一例進行說明。
透過攝影透鏡10投影到受光面21上的被攝體的光學像由攝影元件20拍攝，從攝影元件20輸出的表示上述被攝體的第一圖像數據G1被輸入到點像模糊狀態取得部73。
輸入第一圖像數據G1的點像模糊狀態取得部73對第一圖像數據G1表示的點像的模糊狀態進行分析並輸出表示其分析結果的模糊點像狀態數據Db。
復原係數取得部78A輸入從點像模糊狀態取得部73輸出的模糊點像狀態數據Db及預先儲存在理想點像儲存部72中的上述設計數據或理想點像狀態數據的數據Dr，並透過利用兩者的運算取得與上述點像P1的模糊狀態對應的復原係數K，且輸出表示該復原係數K的係數數據Dk。
表示從復原係數取得部78A輸出的復原係數K的係數數據Dk被輸入到係數儲存部30，在該係數儲存部30儲存係數數據Dk表示的復原係數K。
並且，作為實現點像模糊狀態取得部73的例子，舉出後述的D×O Labs公司(法國)製造的D×O分析儀(analyser)。若採用該D×O分析儀，可以透過對從攝影元件20輸出的第一圖像數據G1進行分析來求出投影到受光面21上的點像P1的模糊狀態。
[關於復原處理]
接著，說明利用儲存在係數儲存部30的復原係數K對從攝影元件20輸出的第一圖像數據進行復原處理F，取得表示解析度高於第一圖像數據表示的圖像的第二圖像數據的情況。而且，在下面的說明中，主要說明對表示點像的第一圖像數據實施復原處理F的情況。
圖2(a)是在縱軸表示光強E、橫軸表示受光面上的X方向的位置的坐標上表示點像的光強分佈的圖。圖2(b)是在縱軸表示受光面上的Y方向的位置、橫軸表示受光面上的X方向的位置的坐標上表示構成受光面的受光像素的各像素區域(圖中用符號Rg表示)和投影到該受光面的點像的圖；圖3(a)是在第一圖像數據表示的圖像中所示的點像的圖像的圖；圖3(b)是在第二圖像數據表示的圖像中所示的點像的圖像的圖。並且，圖3(a)和圖3(b)分別所示的圖像中的各像素區域(圖中用符號Rg’表示)的大小相互一致。並且，構成受光面21的受光像素的各像素區域Rg和第一圖像數據G1或第二圖像數據G2表示的圖像中的圖像區域Rg’成為相互對應的區域。
而且，圖4(a)是在縱軸表示光強E、橫軸表示受光面上的X方向的位置的坐標上表示攝影透鏡10的解析度高時會投影到受光面21上的點像的光強分佈的圖。此外，這還可以考慮為與光學系統無關地表示理想的點像狀態。圖4(b)是在縱軸表示受光面上的Y方向的位置、橫軸表示受光面上的X方向的位置的坐標上表示構成受光面的受光像素的各像素區域(圖中用符號Rg表示)及攝影透鏡10的解析度高時會投影到受光面21上的點像P2的圖。
透過攝影透鏡10投影到受光面21上的光學像的點像P1的有效區域R1的最大直徑M1，如圖2(b)所示是構成受光面21的受光像素的連續的3像素的大小。此外，該有效區域R1是由受光面21上的縱向3像素及橫向3像素構成的合計9像素的區域。即，有效區域R1是佔有構成受光面21的受光像素的9像素部分(3像素×3像素)的區域。
此外，如圖2(a)所示，點像P1的有效區域R1是具有表示點像P1的光強分佈H1中的峰值強度Ep1的1/e2 以上的光強的區域。
投影到上述受光面21上的點像P1由攝影元件20拍攝，表示該點像P1的第一圖像數據G1從攝影元件20輸出。
如圖3(a)所示，與該第一圖像數據G1表示的圖像Zg1中所示的上述點像P1對應的圖像P1’仍表示為該有效區域R1’在圖像中9像素部分(3像素×3像素)的圖像。
接著，輸入該圖像數據G1的信號處理部40，對第一圖像數據G1進行利用復原係數K1的復原處理F，而得到第二圖像數據G2。
如圖3(a)、(b)所示，與上述第一圖像數據G1表示的點像的圖像P1’對應的第二圖像數據G2表示的圖像Zg2中的點像的圖像P2’，該圖像P2’的有效區域R2’與上述第一圖像數據G1表示的圖像Zg1中的點像圖像P1’的有效區域R1’相比減小。從而，在圖像Zg2中所示的點像圖像P2’的最大直徑M2’(圖像區域Rg’的3像素部分的區域)也比圖像Zg1中表示的點像圖像P1’的最大直徑M1’(圖像區域Rg’的1像素部分的區域)減小。
即，該圖3(b)所示的第二圖像數據G2表示的點像的圖像P2’，與由對在攝影透鏡10的解析度高時會投影到受光面21上的點像P2(參照圖4)進行拍攝的、且從攝影元件20輸出的第一圖像數據表示的點像圖像成為同等的圖像。
更具體地，對拍攝透過攝影透鏡10投影到受光面21上的有效區域R19像素部分的點像P1(參照圖2(a)、(b))的且從攝影元件20輸出的第一圖像數據G1、實施利用上述復原係數K的復原處理F而得到的第二圖像數據G2所表示的點像的圖像P2，(參照圖3(b))，與對在攝影透鏡10的解析度提高時預計投影到受光面21上的點像P2(有效區域R2的最大直徑M2包含在一個像素區域Rg中，參照圖4(a)、(b))進行拍攝的且從攝影元件20輸出的第一圖像數據G1所表示的點像圖像成為同等的圖像。
而且，圖4(a)、(b)所示的受光面21上的一個像素區域Rg中包含的點像P2的有效區域R2，與上述點像P1的情況同樣地是具有表示點像P2的光強分佈H2中的峰值強度Ep2的1/e2 以上的光強的區域。這裡，點像P2的有效區域R2是包含在一個像素區域Rg中的大小。
這樣，對第一圖像數據實施復原處理而得到的第二圖像數據所表示的圖像的解析度，可以高於第一圖像數據表示的圖像的解析度。
此外，透過該復原處理F，可以得到與擴大攝影透鏡10的景深時得到的圖像相同的圖像，所以上述復原處理還稱為實質上放大攝影透鏡10的景深的處理。
並且，在基於信號處理部40的、利用與第一圖像數據G1表示的點像P1的狀態對應的復原係數K的復原處理F中，可以採用上述的專利公開2000-123168號公報中第【0002】～【0016】段所介紹的圖像復原處理等。
在上述說明中對拍攝點像的情況進行了說明，但是，透過攝影透鏡10投影到受光面21上的被攝體的光學像，可認為是表示被攝體的點像的集合，所以無論拍攝的被攝體是哪種物體，也可以對上述第一圖像數據實施復原處理而生成以高於該第一圖像數據表示的圖像的解析度表示圖像的第二圖像數據。
[關於攝影系統的性能]
接著，對上述攝影系統100所使用的由攝影透鏡10和攝影元件20構成的攝影系統的性能進行說明。
圖5是在橫軸以對數刻度(m)表示從攝影透鏡到物點的光軸方向的距離U、縱軸表示與連續排列在受光面上的像素區域數(N)對應的長度的坐標上，示意地示出沿光軸方向移動物點時投影到受光面上的與該物點對應的點像有效區域的最大直徑變化的圖。
這裡，將物點從大致與攝影透鏡接觸的近點的位置(接近到大約0.01m的位置)移動到相對於攝影透鏡大致無限遠的遠點的位置(大約相距10m的位置)。
由圖5中的系列A-1、A-2、A-3表示的3種曲線(實線)示意地示出透過本發明的攝影系統的攝影透鏡10投影到受光面21上的互不相同的特定區域(像高互不相同的受光面上的特定區域)的各點像的有效區域的最大直徑的變化。此外，圖5中的系列Aw所示的曲線(虛線)表示透過在以往的攝影系統(例如車載用照相機、行動電話用照相機、醫療設備用照相機等)中所使用的攝影透鏡投影到受光面上的點像有效區域的最大直徑的一般變化。
根據圖5可知，在以往的攝影系統中，透過將物點投影在受光面21上而成的點像的有效區域的最大直徑，隨著物點向光軸方向的移動，從1像素部分的大小到30像素部分的大小變化很大。
另一方面，透過本發明的攝影系統100具備的攝影透鏡10將物點投影到受光面21上而成的點像的有效區域的最大直徑，對於系列A-1、A-2、A-3中的任一個均是3像素部分以上、10像素部分以下的大小。即，與從攝影透鏡10到物點的距離無關，且與所投影的點像在受光面上的位置(例如，受光面上的像高)無關，該受光面上的點像的有效區域的大小的變動較少。而且，對於從X、Y、Z方向的任一位置即三維空間的任一位置透過攝影透鏡10投影到受光面上的點像，也可說成其點像的有效區域的大小變動較少。
圖6是在橫軸以對數刻度(m)表示從攝影透鏡到物點的光軸方向的距離U、縱軸表示MTF特性的值(%)的坐標上，示意地示出沿光軸方向移動物點時投影到受光面上的與上述物點的光學像有關的MTF特性的值(%)的變化的圖。
這裡，將物點從大致與攝影透鏡接觸的近點的位置(接近到大約0.01m的位置)移動到相對於攝影透鏡大致無限遠的遠點的位置(大約相距10m的位置)。
由圖6中的系列B-1、B-2、B-3表示的有關本發明的攝影系統的三種曲線(實線)，示意地示出透過攝影透鏡10投影到受光面上的互不相同的特定區域(像高互不相同的特定區域)的有關光學像的MTF特性的值(%)的變化。此外，由圖6中的系列Bw表示的曲線(虛線)，是關於以往的攝影系統表示與投影到受光面上的光學像有關的MTF特性的值(%)的一般變化。
由圖6可知，在以往的攝影系統中，與投影到受光面21上的光學像有關的MTF特性的值(%)從0%到超過80%的值變化很大。而且，在攝影透鏡10和物點接近的近點，關於位於比MTF特性的值成為0%的位置更接近攝影透鏡10的區域(MTF特性的值從0%折反的區域)的物點，產生偽分辨。此外，在攝影透鏡10和物點分離的遠點，關於位於比MTF特性的值成為0%的位置更遠的區域(MTF特性的值從0%折反的區域)的物點，也產生偽分辨。
另一方面，與透過本發明的攝影系統100具備的攝影透鏡10投影到受光面21上的光學像有關的MTF特性的值(%)，對於系列B-1、B-2、B-3均為10%以上60%以下的大小，不產生偽分辨。即，與從攝影透鏡10到物點的距離無關，且與所投影的光學像的受光面上的位置(例如，受光面上的像高)無關，與投影到受光面上的光學像有關的MTF特性的值的變動減少，也不產生偽分辨。進一步，對於與從X、Y、Z方向的任意位置透過攝影透鏡10投影到受光面上的光學像有關的MTF特性也可以說變動較少。
另外，攝影透鏡10構成為，關於從離開該攝影透鏡10的焦距(例如4～5mm)的10倍以上的X、Y、Z方向的任意位置透過攝影透鏡10而投影到受光面21上的被攝體的光學像，與此光學像有關的MTF特性值也成為正。
攝影透鏡10也可構成為，關於攝影透鏡和攝影元件在例如Z方向上被限制在10f以上、在X、Y方向上也被限制在物體高為止的範圍內且從X、Y、Z方向的任意位置投影到受光面上的點像，此點像的有效區域的最大直徑也成為形成攝影元件的受光面的受光像素的3像素以上的大小。
然而，攝影透鏡10不一定限制在滿足此條件的情況，攝影透鏡10和攝影元件20只要是構成為：關於從X、Y、Z方向的任意位置透過該攝影透鏡10投影到受光面21上的點像，此點像的有效區域的最大直徑也成為受光面上的受光像素的3像素以上的大小，就可獲得從攝影元件20輸出的圖像數據的品質得到提高的效果。
如上所述，根據本發明的攝影系統，如以往從攝影透鏡輸出的第一圖像數據表示的圖像解析度的不足就可簡單地僅透過對第一圖像數據實施復原處理(圖像處理)得到補正。即，透過對第一圖像數據的復原處理，可得到表示具有所望的解析度的圖像的第二圖像數據，所以，透過對投影到受光面的光學像進行攝影而獲得的圖像數據的品質就可容易得到提高。
[對於復原係數取得裝置的作用]
以下，對復原係數取得裝置70A的作用進行詳細說明，
復原係數取得裝置70A的功能，需要進行：
(1)點像測量、判斷畫面內均勻性
(2)導出提供最佳的復原處理的係數組(復原係數)
(3)記錄最佳的係數組
更詳細地說明各功能。
(1)是在各攝影透鏡和攝影元件的組合中，實際測量、判斷成像性能(解析度)的功能。根據從攝影元件得到的電信號(第一圖像數據)測量光學點像的機構，有市售的法國D×O公司的D×O分析儀。這利用了D×O公司提倡的表示所謂B×U的模糊的概念，所以可以從來自攝影元件的輸出信號求出點像(光學點像、圖像處理後點像均可求出)。
具體地，該D×O分析儀透過對拍攝某個指定的圖表(在白底上排列無數個黑圓點的圖表)而得到的圖像數據(第一圖像數據)進行分析，計算攝影元件的受光面上任意點處的點像大小(http://www.dxo.com/jp/image_quality/dxo_analyzer)。
而且，測量光學點像的機構只要是可以根據來自攝影元件(即傳感器)的輸出信號計算點像的測量機構，則不論形式。
另一方面，在正如光學設計值的情況下的點像的大小，可以由設計該光學系統的工具計算，所以透過比較由該計算得到的「設計值點像」和由D×O分析儀等測量器測量的「測量點像」的大小，可以判斷測量點像從設計值偏移何種程度。例如，光學部件有組裝誤差時的測量點像的大小，多半與設計值點像相比變大。此外，攝影元件的投影到受光面上的點像的有效區域的形狀或亮度分佈本來形成點對稱的形狀或分佈，但是若攝影透鏡傾斜或其軸偏移，則局部地產生前模糊、後模糊，成為所謂「單模糊狀態」。透過比較上述「設計值點像」和「測量點像」求出從這種設計值的偏離，進而可以判斷是否仍然可以說是正如設計值。此外，即使不拘泥於設計值點像，也可以任意地定義理想狀態，比較其理想狀態(「理想點像」)和「測量點像」來判斷其差異。
(2)是實施以核維納濾波器為基本的復原處理，且透過計算求出使上述「測量點像」接近「設計值點像」或「理想點像」的係數組(復原係數)的階段。核維納波濾器，如文獻(鷲澤嘉一、山下幸彥著，題目「Kernel Wiener Filter」，2003 Workshop on Information-Based Induction Sciences，(IBIS2003)，Kyoto，Japan，Nov 11-12，2003)所示，在原信號經過某些濾波而與雜訊一起被觀測時從包含雜訊的觀測信號中推算原信號的技術方法，被廣泛使用。這裡，若將原信號設為「被拍攝的物體」，濾波系統設為「攝影透鏡+攝影元件」，將觀測信號設為「圖像信號(第一圖像數據)」，並且將雜訊設為「設計值點像(或者理想點像)和測量點像的差異」，則可以應用核維納濾波器推算「被拍攝的物體」。
若實物的「攝影透鏡+攝影元件」沒有一切誤差原因，則所拍攝的物體就應當是圖像信號，在經過該復原處理之後原理上得到理想的「圖像信號(第二圖像數據)」。實際上，還存在基於原來的(1)的測量誤差等，雜訊成分未被全部除去而殘留一部分，但是測量點像接近設計值點像或理想的點像的事實是可靠的，最終的圖像的品質得到提高。
具體地，在由於某種誤差原因而光學點像大於設計值、或者在成像面內不均勻的情況下，也可以透過復原處理將該點像校正為較小、或者在成像面內均勻化，從而可以確保經得起實用的性能。此外，在不僅是基於製造的誤差原因、不得不具有設計上較低的性能(光學點像大於元件間距)的光學系統中，也可以透過校正點像提高外觀上光學性能。若追求該外觀上的光學性能提高，則有可能超越理論上所示的極限解析度，所以在考慮到近年來的像素尺寸的小型化的傾向時非常有用。
這裡，極限解析度由艾瑞盤(Airy Disk)的大小給出，無像差透鏡的點像強度的有效區域(峰值強度×(1/e2 ))的半徑Re 、及成為強度零的半徑Rc由以下式規定。攝影元件使用的最近的CMOS元件的像素間距為2.2微米、1.75微米，今後預計1.4微米、1.0微米成為主流。舉例而言，若以F2.8、波長550nm計算Re及Rc，則分別為
Re(點像強度的有效區域的半徑)=0.82λF=0.82×2.8×550×0.001=1.26微米(點像強度的有效區域的直徑2.52微米)
Rc(點像強度成為零的半徑)=1.22λF=1.22×2.8×550×0.001=1.88微米(點像強度成為零的直徑3.76微米)，
像素間距已經超過衍射極限。
衍射極限以無像差為前提，但是現實的光學系統沒有無像差的情況，特別是鑒於謀求小型化、低成本化，反而殘留像差，不得已具有妥協的性能。在這種狀況下，基於核維納濾波器(Wiener Filter)的復原處理也可以將最終的圖像的品質提高到實用性的程度。
上述的復原處理設想在某個特定像面上或其很近處(前模糊後模糊的範圍)實施，但是在與攝影距離的變動對應的散焦方向的無數像面組中，若考慮消除測量點像和設計值點像的差的復原處理，則可以擴大焦點深度。
在復原處理的實施時，應消除的雜訊成分隨著各「攝影透鏡+攝影元件」各式各樣，較佳地對每個「攝影透鏡+攝影元件」的組合進行最佳的復原處理。但是，復原處理自身的算法相同即可，因此參照的「係數組」最佳即可。
(3)是實際上使「攝影透鏡+攝影元件」的組組合「最佳的係數組」的階段。為此，應當在某個記錄介質中儲存用於實施最佳的復原處理的係數組並將它加到「攝影透鏡+攝影元件」的組中。從而，需要記錄過程。
這樣，透過將攝影系統作為「攝影透鏡+攝影元件+記錄介質」的組而使用，從而光學性的點像(也稱光學點像)被校正為適合用途的形式，最終可以得到良好的品質的圖像。具體地，提供一種即使因某種理由(製造公差、原來的設計值低)而解析度不滿足但處理後的圖像也可實現滿足的解析度的機構。此外，還可以提供與各攝影透鏡和攝影元件的組的特性一致的焦點深度擴大機構。
[關於復原係數取得裝置的變形例]
下面，對復原係數取得裝置的變形例進行說明。
將與攝影元件所輸出的由第一圖像數據表示的點像模糊狀態對應的復原係數K1儲存在係數儲存部30的復原係數取得裝置，也可構成為與上述第一例的復原係數取得裝置70A不同的在以下說明的第二例復原係數取得裝置70B或第三例復原係數取得裝置70C。
圖7是表示第二例復原係數取得裝置70B的圖，該第二例復原係數取得裝置70B將從與分類成多個種類的點像模糊狀態分別對應的各復原係數的候補中按照第一圖像數據表示的點像模糊狀態所選擇的復原係數儲存在係數儲存部。
如圖7所示，此復原係數取得裝置70B包括有：候補係數儲存部79，儲存分別與預先分類成多個種類的點像模糊狀態對應的各復原係數的候補K1、K2…；點像模糊狀態取得部73，取得透過攝影透鏡10投影到受光面21上的點像P1的模糊狀態；復原係數取得部78B，從上述復原係數的候補K1、K2…之中選擇與上述第一圖像數據G1表示的點像P1的模糊狀態對應的復原係數(例如K1)，將此復原係數K1儲存在係數儲存部30。
此復原係數取得裝置70B，透過點像模糊狀態取得部73得到表示點像模糊狀態的模糊點像狀態數據Db，復原係數取得部78B，在儲存在候補係數儲存部79的復原係數的候補K1、K2…之中選擇與模糊點像狀態數據Db表示的點像P1的模糊狀態對應的復原係數(例如K1)，將表示此復原係數K1的係數數據Dk輸出並儲存在係數儲存部30。
即，在係數儲存部30儲存：從分別與分類成多個種類的點像模糊狀態對應的各復原係數的候補K1、K2…之中按照與第一圖像數據G1表示的點像模糊狀態所選擇的復原係數。
圖8是在係數儲存部儲存、透過從與分別分類成多個種類的點像模糊狀態對應的多個種類復原係數的候補中按照第一圖像數據表示的點像模糊狀態所選擇的復原係數進一步根據該點像模糊狀態進行校正而成的已校正的復原係數的、第三例復原係數取得裝置70C。
如圖8所示，此復原係數取得裝置70C包括有：候補係數儲存部79，儲存分別與預先分類成多個種類的點像模糊狀態對應的各復原係數的候補K1、K2…；點像模糊狀態取得部72，在攝影透鏡10的解析度高時，預先儲存透過此解析度高的攝影透鏡投影到受光面21上的理想的點像P1的有關設計數據或理想點像狀態的數據Dr；點像模糊狀態取得部73，取得透過攝影透鏡10投影在受光面21上的點像P1的模糊狀態；復原係數取得部78C，在上述復原係數的候補K1、K2…之中選擇與上述點像P1的模糊狀態對應的復原係數(例如K1)，並取得表示透過利用上述點像P1的模糊狀態及預先儲存在理想點像儲存部72中的點像的設計數據或理想點像狀態數據即數據Dr的運算對該復原係數K1進行校正而成的且已校正的復原係數K1’的係數數據Dk(K1’)，將該係數數據Dk(K1’)表示的已校正的復原係數K1’儲存在係數儲存部30中。
此復原係數取得裝置70C，由點像模糊狀態取得部73取得透過攝影透鏡10投影到受光面21上的表示點像P1的模糊狀態的模糊狀態數據。復原係數取得部78B，在儲存於候補係數儲存部79的復原係數的候補K1、K2…之中選擇與上述點像P1的模糊狀態對應的復原係數(例如K1)。進一步，取得透過使用上述點像P1的模糊狀態、及預先儲存在理想點像儲存部72的點像設計數據或者理想點像狀態數據的數據Dr的運算而對此復原係數K1進行校正而成的已校正的復原係數K1’，將此校正完的復原係數K1’儲存在係數儲存部30。
即，在係數儲存部30儲存：透過對從與分為多個種類的點像的各模糊狀態對應的多種復原係數的候補中按照第一圖像數據G1表示的點像P1的模糊狀態所選擇出的復原係數(例如K1)進一步按照上述點像的模糊狀態進行校正而成的已校正的復原係數K1’。
另外，如圖9所示，本發明的攝影系統也可為在上述攝影系統的框體內包括具有與復原係數取得裝置70A、70B、70C等同樣的功能的復原係數取得裝置70或係數儲存部30的攝影系統100’。
進一步，如圖10所示，本發明的攝影系統也可為包括信號處理部40’的攝影系統100”，該信號處理部40’內裝有上述復原係數取得裝置70或係數儲存部30。即，將信號處理部40’也可設為兼備復原係數取得裝置70。
[關於各結構要素的變形例]
以下，對攝影系統的結構要素的變形例進行說明。
信號處理單元不限於將由受光面上的縱方向3像素以上及橫方向3像素以上而成的合計9像素以上的像素區域作為最小單位而進行復原處理的情況，也可以是將由未滿縱方向3像素或者未滿橫方向3像素而成的合計未滿9像素的像素區域作為最小單位而進行復原處理。
而且，信號處理部不限於透過使用表示點像模糊狀態的第一圖像數據的運算而求出復原係數的情況，也可透過其他方式求出復原係數。
此外，信號處理部不限於將包含投影到受光面上的點像的全部有效區域的最小像素區域作為最小單位實施復原處理的情況，還可以將包含全部有效區域但不是最小的像素區域作為最小單位實施復原處理。
而且，信號處理部不限於實施復原處理以使得第二圖像數據表示的圖像中的點像的有效區域的大小小於第一圖像數據表示的圖像中的點像的有效區域的大小的情況，還可以實施復原處理以使第一圖像數據表示的圖像中的點像的有效區域的大小設為第二圖像數據表示的圖像中的點像的有效區域的大小以上。
而且，具有上述攝影系統的本發明的攝影裝置、便攜終端設備、車載設備、及醫療設備等的要求高景深的裝置，能夠與上述同樣地容易提高各裝置中設置的攝影系統的對投影到受光面的光學像進行拍攝而得到的圖像數據的品質。
圖11是表示搭載具有攝影系統的車載設備的汽車的圖。
如圖11所示，具有本發明的攝影系統的車載設備502～504可以搭載於汽車501等上使用。該汽車501具有用於拍攝助手席側的側面死角範圍的車外照相機的車載設備502、用於拍攝汽車1的後側死角範圍的車外照相機的車載設備503、安裝在內視鏡背面而用於拍攝與駕駛員相同的視野範圍的車內照相機的車載設備504。
圖12是表示具有攝影系統的便攜終端設備行動電話的圖。
如圖所示，該行動電話510在行動電話殼體511中配置有攝影系統512。
圖13是表示具有攝影系統的醫療設備即內窺鏡裝置的圖。
如圖所示，觀察生物組織525的該內窺鏡裝置520，在內窺鏡裝置520的前端部521配置有用於拍攝用照明光La照亮的生物組織525的攝影系統522。
這樣，如上所述的具有攝影系統的本發明的攝影裝置、便攜終端設備、車載設備、及醫療設備，容易與以往公知的攝影裝置、便攜終端設備、車載設備、及醫療設備具有的現有攝影系統進行更換。即，以往公知的攝影裝置、便攜終端設備、車載設備、及醫療設備的裝置尺寸或形狀等不變更，而將這些裝置具有的現有攝影系統更換為本發明的攝影系統，也可以構成本申請發明的攝影裝置、便攜終端設備、車載設備、及醫療設備。
此外，本發明的攝影系統可以構成為僅透過由軸對稱形狀構成的光學部件將被攝體的光學像投影到受光面上，或者可以構成為透過由非軸對稱形狀構成的光學部件將被攝體的光學像投影到受光面上。而且，上述攝影透鏡較佳地選擇景深深的透鏡。即，即使由於被攝體的移動、或攝影透鏡的焦點調節等，被攝體的光學像投影到受光面上的狀態產生變化，也較佳地將攝影透鏡和攝影元件構成為投影到受光面上的點像的模糊狀態的變化減少。更具體地，較佳地將攝影透鏡和攝影元件構成為投影到受光面上的點像的有效區域的大小及對比度的變化減少。但是，攝影系統不限於具備景深深的攝影透鏡的情況，也可以具備景深淺的攝影透鏡。
此外，用於上述攝影系統的攝影元件可以設為CCD元件、或CMOS元件。
100,100’,100”,512,522．．．攝影系統
70,70A,70B,70C．．．復原係數取得裝置
10,10A,10B,10C,10H．．．攝影透鏡
10．．．攝影透鏡
20．．．攝影元件
21,21A,21B,21H．．．受光面
30．．．係數儲存部
40,40’．．．信號處理部
72．．．理想點像儲存部
73．．．點像模糊狀態取得部
78A,78B,78C．．．復原係數取得部
79．．．候補係數儲存部
G1．．．第一圖像數據
G2．．．第二圖像數據
F．．．復原處理
P1,P1’,P2,P2’．．．點像
K．．．復原係數
Dk．．．係數數據
Te．．．信號
Dm．．．直徑數據
K1,K2．．．復原係數的候補
K1’．．．已校正的復原係數
Db．．．模糊點像狀態數據
Dr．．．設計數據、理想點像狀態數據
R1,R1’,R2,R2’．．．有效區域
H1,H2．．．光強分佈
Ep1,Ep2．．．峰值強度
Rg,Rg’．．．各像素區域
M1,M1’,M2,M2’．．．最大直徑
501．．．汽車
502,503．．．車外照相機
504．．．車內照相機
510．．．行動電話
511．．．殼體
525．．．生物組織
520．．．內視鏡裝置
521．．．前端部
La．．．照明光
圖1是表示本發明的攝影系統的簡要結構的方塊圖。
圖2(a)是表示點像的光強分佈的圖，(b)是表示投影到受光面的點像的圖。
圖3(a)是在第一圖像數據表示的圖像中所示的點像的圖像的圖，(b)是在第二圖像數據表示的圖像中所示的點像的圖像的圖。
圖4(a)是表示在攝影透鏡的解析度高時投影到受光面上的點像的光強分佈的圖，(b)是表示攝影透鏡的解析度高時投影到受光面的點像的圖。
圖5是表示在沿光軸方向移動物點時投影到受光面上的該物點的光學像即點像的有效區域的最大直徑的變化的圖。
圖6是表示在沿光軸方向移動物點時投影到受光面上的該物點的光學像有關的MTF特性的值(%)的變化的圖。
圖7是表示第二例的復原係數取得裝置的圖。
圖8是表示第三例的復原係數取得裝置的圖。
圖9是表示在內部包括復原係數取得裝置的攝影系統的圖。
圖10是表示在信號處理部的內部包括復原係數取得裝置的攝影系統的圖。
圖11是表示搭載了具有攝影系統的車載設備的汽車的圖。
圖12是表示具有攝影系統的便攜終端設備即行動電話的圖。
圖13是表示具有攝影系統的醫療設備即內窺鏡裝置的圖。
100．．．攝影系統
10．．．攝影透鏡
20．．．攝影元件
21．．．受光面
30．．．係數儲存部
40．．．信號處理部
72．．．理想點像儲存部
73．．．點像模糊狀態取得部
70A．．．復原係數取得裝置
78A．．．復原係數取得部
G1．．．第一圖像數據
G2．．．第二圖像數據
F．．．復原處理
K．．．復原係數
P1．．．點像
Dk．．．係數數據
Db．．．模糊點像狀態數據
Dr．．．設計數據、理想點像狀態數據

Claims (13)

  1. 一種攝影系統，其包括：攝影透鏡；攝影元件，具有透過二維狀排列多個受光像素而成的受光面，對透過該攝影透鏡投影到該受光面上的被攝體的光學像進行拍攝而輸出表示該被攝體的第一圖像數據；信號處理單元，對該第一圖像數據實施在該攝影透鏡的解析度高時生成與從該攝影元件輸出的該第一圖像數據同等的第二圖像數據的復原處理，該攝影透鏡和攝影元件構成為：對從X、Y、Z方向的任意位置透過該攝影透鏡對投影到該受光面上的點像，也使得該點像的有效區域的最大直徑成為該受光面像素的3像素以上的大小，該信號處理單元利用與該第一圖像數據表示的點像狀態對應的復原係數實行該復原處理。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之攝影系統，其中，該攝影透鏡構成為：對從離開該攝影透鏡的焦距10倍以上的X、Y、Z方向的任意位置透過該攝影透鏡投影到該受光面上的被攝體的光學像，與該光學像有關的MTF特性的值也成為正。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之攝影系統，其中，該信號處理單元將由該受光面上的縱向3像素以上及橫向3像素以上構成的合計9像素以上的像素區域作為最小單位進行該復原處理。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之攝影系統，其中，該信號處理單元將包含投影到該受光面上的點像的有效區域的全部的最小像素區域作為最小單位實施該復原處理。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之攝影系統，其中，該信號處理單元進行該復原處理，使得該第二圖像數據表示的圖像中的該點像的有效區域的大小小於該第一圖像數據表示的圖像中的點像的有效區域的大小。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之攝影系統，其中，按每個攝影系統對該攝影系統單獨求出該復原係數。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之攝影系統，其中，該復原係數是從與分為多個種類的點像的各狀態對應的各復原係數的候補中按照該第一圖像數據表示的點像的狀態所選擇的。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之攝影系統，其中，該復原係數是透過從與分為多個種類的該點像的各狀態對應的多種復原係數的候補中按照該第一圖像數據表示的該點像的狀態所選擇出的復原係數進一步根據點像的狀態進行校正而成的。
  9. 如申請專利範圍第1、6~8項任一項所述之攝影系統，其還包括取得該復原係數的復原係數取得單元。
  10. 一種攝影裝置，包括如申請專利範圍第1~9項任一項所述之攝影系統。
  11. 一種便攜終端設備，包括如申請專利範圍第1~9項任一項所述之攝影系統。
  12. 一種車載設備，包括如申請專利範圍第1~9項任一項所述之攝影系統。
  13. 一種醫療設備，包括如申請專利範圍第1~9項任一項所述之攝影系統。
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