WO2014125863A1 - 撮像装置 - Google Patents

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image
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diaphragm
light
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將夫 三本木
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オリンパス株式会社
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    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/005—Diaphragms

Definitions

  • the present invention relates to an imaging apparatus.
  • This imaging apparatus includes a microlens array in which a plurality of pixels are assigned to each lens between an imaging lens and a sensor. According to this imaging apparatus, a plurality of parallax images can be acquired simultaneously, and the distance to the subject can be measured everywhere on the subject by performing a known stereo matching process.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide an imaging apparatus capable of acquiring a subject distance with high accuracy and acquiring a high-quality image.
  • an imaging lens that collects light from a subject, a diaphragm member that is disposed adjacent to the imaging lens, and light that is collected by the imaging lens and passes through the diaphragm member And at least one ordinary aperture member having a substantially circular opening, and an aperture element disposed between the imaging element and the imaging lens at an interval in the optical axis direction.
  • An imaging apparatus is provided that includes a diaphragm section and at least two coded diaphragm sections having a predetermined pattern of openings.
  • the light from the subject condensed by the imaging lens when allowed to pass through the aperture member, it can be passed through either the normal aperture portion or the encoded aperture portion.
  • the light that has passed through the diaphragm member passes through the microlens array and is incident on the imaging surface of the imaging device.
  • the light that has passed through the normal diaphragm having a substantially circular opening is made incident on the imaging surface, whereby a highly accurate image can be acquired.
  • light that has passed through at least two encoded diaphragms having openings of a predetermined pattern is incident on the imaging surface, whereby image information having high frequency components can be acquired and condensed by a microlens array.
  • the image information obtained by capturing the captured light has parallax, and the distance to the subject can be accurately measured using the parallax information.
  • a distance information calculation unit that calculates distance information based on image information acquired by imaging the light that has passed through the coded aperture unit by the imaging device, and light that has passed through the normal aperture unit
  • An image generation unit that generates an image using image information acquired by imaging the image by the imaging element, and distance information calculated by the distance information calculation unit for each pixel of the image generated by the image generation unit
  • a synthesizing unit that associates.
  • the normal aperture section and the encoded aperture section are arranged along two directions intersecting each other, and the total number of arrays in one direction of the normal aperture section and the encoded aperture section is x,
  • the total number of arrays in the other direction is y
  • the number of arrays in one direction of the microlenses of the microlens array may be i ⁇ x
  • the number of arrays in the other direction may be j ⁇ y.
  • i and j are integers of 1 or more.
  • the normal aperture section and the encoded aperture section are arranged along two directions intersecting each other, and the total number of arrays in one direction of the normal aperture section and the encoded aperture section is x,
  • the total number of arrays in the other direction is y
  • the number of pixels in the one direction of the imaging element corresponding to each microlens of the microlens array is k ⁇ x
  • the number of pixels in the other direction is m ⁇ . It may be y.
  • k and m are integers of 1 or more.
  • the said distance information calculation part performs a matching process using the 2 or more image information acquired by the said image pick-up element passing through the said encoding aperture_diaphragm
  • the distance information may be calculated using the parallax information calculated by the above.
  • the present invention it is possible to acquire the subject distance with high accuracy and to acquire a high-quality image.
  • FIG. 1 It is a block diagram showing an imaging device concerning one embodiment of the present invention. It is a figure which shows an example of the aperture member of the imaging device of FIG. It is a figure explaining the light ray from the aperture member of the imaging device of FIG. 1 to an image pick-up element. It is a block diagram which shows the distance information calculation part of the imaging device of FIG. FIG. 1 is an image with different degrees of blur acquired by the imaging apparatus of FIG. 1, (a) an example of an image that passes through the coded aperture unit and has less blur, and (b) an example of an image that passes through the coded aperture unit and has much blur.
  • FIGS. 4A and 4B are diagrams illustrating an example of an image that passes through a normal aperture portion and causes less blur; and FIG. FIG.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating frequency characteristics corresponding to image examples (a) to (d) in FIG. (A), (b) is a figure which shows the modification of the encoding aperture
  • It is a modification of the imaging device of FIG. 1 and is a diagram illustrating a case where a plurality of microlenses correspond to light that has passed through each aperture.
  • FIG. 9 is a diagram showing another modification of the imaging apparatus of FIG. 1, in which the microlens for light that has passed through the normal aperture section is larger than the microlens for light that has passed through the encoded aperture section.
  • FIG. 10 is a diagram showing another modification of the imaging apparatus of FIG.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a modified example of the imaging device in FIG. 10, and illustrates a case where light that has passed through each aperture is incident on a plurality of pixels.
  • FIG. 11 is a diagram showing another modification of the imaging apparatus of FIG. 10, in which the number of pixels that receive light that has passed through a normal aperture section is larger than the number of pixels that receive light that has passed through an encoded aperture section. It is a figure which shows the modification of the aperture_diaphragm
  • the imaging apparatus 1 includes an imaging unit 2 that captures an image of the subject A and acquires image information, and an image processing unit that processes the image information acquired by the imaging unit 2. 3 is provided.
  • the imaging unit 2 passes through the imaging lens 4 that collects the light from the subject A, the diaphragm member 5 that is disposed adjacent to the imaging lens 4, and the diaphragm member 5.
  • the microlens array 6 which makes the light after forming the real image B enter, and the image pick-up element 7 arrange
  • the diaphragm member 5 includes a normal diaphragm section 5a having a substantially circular opening that allows a part of light from the subject A collected by the imaging lens 4 to pass therethrough, and the normal diaphragm section 5a. And an encoding diaphragm portion 5b disposed at two positions.
  • the two encoded diaphragm portions 5b have openings of the same shape, and the shape of the openings has an arbitrary predetermined pattern other than a single circle as shown in FIG. 2, for example.
  • the microlens array 6 includes a plurality of microlenses 6a that are two-dimensionally arranged in two directions intersecting each other at a position away from the position of the real image B in the direction of the optical axis in the direction of the image sensor 7. Yes.
  • each microlens 6 a of the microlens array 6 forms an image of the real image B on the imaging surface 7 a of the imaging device 7.
  • the imaging device 7 is, for example, an RGB primary color CCD.
  • the image processing unit 3 includes an A / D converter 8 that converts image information acquired by the image sensor 7 into a digital signal, a buffer 9 that temporarily stores the image information converted into a digital signal, and a buffer 9 that stores the image information.
  • the selection unit 10 that distinguishes and outputs the image information of the light that has passed through the normal aperture unit 5a and the image information of the light that has passed through the encoding aperture unit 5b, and the selection unit 10 selects A signal processing unit 11 to which image information of light that has passed through the normal aperture unit 5a is input; a distance information calculation unit 12 to which image information of light that has passed through the encoded aperture unit 5b selected by the selection unit 10 is input; A synthesizing unit 13 that associates the image signal output from the signal processing unit 11 with the distance information output from the distance information calculating unit 12.
  • reference numeral 14 denotes an imaging control unit that controls the imaging lens 4, the diaphragm member 5, and the imaging element 7 based on image information stored in the buffer 9, and reference numeral 15 denotes a control unit that controls the image processing unit 3.
  • Reference numeral 16 denotes an I / F unit for inputting an external signal to the control unit 15.
  • the light beam (hatched portion) that has passed through the central normal stop portion 5a of the stop member 5 passes through the central microlens 6a and forms an image on the image pickup surface 7a of the image pickup device 7. It has become.
  • the light beams that have passed through the two encoded diaphragm portions 5b that are disposed with the normal diaphragm portion 5a interposed therebetween pass through the microlenses 6a that are disposed at positions that sandwich the central microlens 6a, respectively, and the image pickup device 7. The image is formed at different positions on the imaging surface 7a.
  • the selection unit 10 uses the image information of the light imaged on the image sensor 7 as the image sensor. 7 is transferred to either the signal processing unit 11 or the distance information calculation unit 12 using the position information on 7.
  • the signal processing unit 11 performs well-known demosaicing processing and white balance processing on the image information of the light that has passed through the normal aperture unit 5a transferred from the selection unit 10, and an RGB three-plate image for each pixel. A signal is generated.
  • the distance information calculation unit 12 stores the image information of the light that has passed through the encoding diaphragm unit 5 b transferred from the selection unit 10, and is stored in the buffer 17.
  • a parallax information calculation unit 18 that calculates parallax information from the image information, and a distance calculation unit 19 that calculates a distance to the subject A based on the parallax information calculated by the parallax information calculation unit 18.
  • the parallax information calculation unit 18 performs a known matching process on the two pieces of image information of the light that has passed through the two encoded diaphragm units 5b illustrated in FIG. 2, and calculates the parallax information. Since the image information stored in the buffer 17 is a single plate signal, the luminance signal of each pixel is extracted in advance when performing the matching process. For example, only the G signal may be extracted from the image information in a single plate state, or the G signal may be extracted after performing a known demosaicing process to convert it into a three plate state signal.
  • d indicates the amount of parallax calculated by the matching process.
  • the synthesizer 13 associates the image signal calculated in the signal processor 11 with the distance information calculated in the distance information calculator 12.
  • the association in the combining unit 13 is performed as follows. That is, when the spatial resolutions of the image signal and the distance information are different, the spatial resolution of the distance information is converted by known bicubic interpolation in accordance with the spatial resolution of the image signal. Thereby, distance information can be associated with each pixel of the image signal.
  • the imaging apparatus 1 configured as described above will be described below.
  • the imaging apparatus 1 In order to measure the distance Z between the subject A and the imaging lens 4 using the imaging apparatus 1 according to the present embodiment, after setting imaging conditions such as ISO sensitivity and exposure via the I / F unit 16 The pre-imaging mode is entered by pressing a shutter button (not shown) halfway. Light from the subject A enters the imaging unit 2 via the imaging lens 4, forms a real image B, and then is collected by the microlens array 6 and imaged by the imaging element 7.
  • Image information acquired by the image sensor 7 is sent to the image processing unit 3.
  • the image information sent to the image processing unit 3 is first converted into a digital signal by the A / D converter 8, temporarily stored in the buffer 9, and then sent to the imaging control unit 14.
  • the imaging control unit 14 controls the opening degree adjusting motor 5c of the diaphragm member 5 using the luminance level in the transmitted image signal, and controls the electronic shutter speed in the imaging element 7.
  • the imaging control unit 14 also controls the AF motor 4a of the imaging lens 4 to calculate a contrast value in a predetermined area from the image signal, and sets the imaging lens 4 to a predetermined focal length so that the contrast value becomes maximum. Set.
  • full imaging is performed by fully pressing the shutter button.
  • the main imaging is performed based on the focal length and the exposure condition obtained by the imaging control unit 14, and the acquired image information is converted into a digital signal by the A / D converter 8 and stored in the buffer 9. And sent to the selection unit 10 and sent to either the signal processing unit 11 or the distance information calculation unit 12 for each pixel.
  • Image information from a pixel in which light that has passed through the normal diaphragm 5a in the diaphragm member 5 is imaged is sent from the selector 10 to the signal processor 11 to generate a two-dimensional image signal.
  • the image information from the pixel on which the light that has passed through the coded diaphragm unit 5b of the diaphragm member 5 is imaged is sent from the selection unit 10 to the distance information calculation unit 12 to calculate the distance information.
  • the two-dimensional image signal output from the signal processing unit 11 and the distance information output from the distance information calculation unit 12 are sent to the synthesis unit 13, and the two-dimensional image in which the distance information is associated with each pixel. A signal is generated.
  • the distance information is calculated using the light that has passed through the coded diaphragm unit 5b, and thus there are the following advantages.
  • FIG. 5 (b) is more blurred than FIG. 5 (a)
  • FIG. 5 (d) is more blurred than FIG. 5 (c).
  • FIG. 6 shows a Fourier transform of this blur shape.
  • the horizontal axis in FIG. 6 indicates the frequency, and the vertical axis indicates the normalized pixel value.
  • the frequency characteristics of FIGS. 5 (a) and 5 (b) have higher pixel values in the high frequency component than the frequency characteristics of FIGS. 5 (c) and 5 (d). I understand that.
  • the accuracy of the matching process is lowered and the accuracy of the distance information is lowered.
  • the accuracy of the matching process is improved. There is an advantage that the distance information can be calculated with high accuracy.
  • a high-quality image signal can be obtained from the image information obtained by imaging the light that has passed through the normal aperture unit 5a, and encoding is performed.
  • the distance Z to the subject A can be obtained with high accuracy by the image information obtained by imaging the light that has passed through the aperture 5b.
  • the diaphragm member 5 having the coded diaphragm portion 5b as shown in FIG. 2 is used, but instead of this, the diaphragm member 5 is shown in FIGS. 7 (a) and 7 (b).
  • the case where a single microlens 6a corresponds to each of the normal diaphragm 5a and the coded diaphragm 5b has been illustrated, but instead of this, as shown in FIG. You may employ
  • the number of microlenses is a multiple of the number of apertures.
  • the number of apertures is 3, so the number of microlenses 6a is a multiple of 3. ing.
  • the number Nx in one direction of the micro lens 6a and the other direction is y, the number Nx in one direction of the micro lens 6a and the other direction.
  • the number Ny is as shown in the following formula (3).
  • i and j are integers of 1 or more.
  • the areas of the aperture portions 5a and 5b may not be the same. As shown in FIG. 9, the areas of the narrowed portions 5a and 5b may be varied. In this case, the light that has passed through the large normal diaphragm 5 a at the center passes through the micro lens 6 a having a large diameter at the center and forms an image on the imaging surface 7 a of the image sensor 7. On the other hand, the light that has passed through the coded stop 5b having a smaller area than the normal stop 5a disposed on both sides of the normal stop 5a is a small microlens 6a disposed with the center microlens 6a interposed therebetween. The image is formed on the image pickup surface 7a of the image pickup device 7 through the image sensor 7.
  • the image information obtained by imaging the light that has passed through the normal diaphragm unit 5a has a larger space than the image information obtained by imaging the light that has passed through the coded diaphragm unit 5b.
  • the resolution can be increased.
  • the imaging unit 2 as shown in FIG. 10, it can be considered that the light collected by the imaging lens 4 forms an image on the microlens array 6.
  • the real image of the light that has passed through the central normal diaphragm 5 a is formed on the central pixel of the imaging surface 7 a of the imaging device 7.
  • the light that has passed through the respective apertures 5 a and 5 b is imaged in the microlens array 6.
  • the image information acquired at the center pixel of the three pixels for each microlens 6a the image information of the light that has passed through the normal aperture unit 5a can be acquired, and the image information acquired at the pixels on both sides of the three pixels is acquired.
  • the image information it is possible to acquire the image information of the light that has passed through the two encoding diaphragms 5b.
  • the number of pixels corresponding to one microlens 6a may not be three.
  • 6 pixels may correspond.
  • the number of pixels corresponding to one microlens 6a is a multiple of the number of apertures 5a and 5b.
  • the number of pixels is a multiple of three because there are three diaphragms 5a and 5b.
  • the number of the diaphragm portions 5a and 5b in one direction is x and the number of the diaphragm portions 5a and 5b in the other direction is y, the one-direction corresponding to one micro lens 6a.
  • the number of pixels Px and the number of pixels Py in the other direction are expressed by the following expression (4).
  • the areas of the aperture portions 5a and 5b may not be the same. As shown in FIG. 12, the areas of the narrowed portions 5a and 5b may be different. In this case, the light that has passed through the large normal diaphragm 5 a at the center forms an image on the microlens 6 a and enters four pixels on the imaging surface 7 a of the imaging device 7. On the other hand, the light that has passed through the coded stop 5b having a smaller area than the normal stop 5a disposed on both sides of the normal stop 5a forms an image on the same microlens 6a, and then the image pickup surface of the image sensor 7 It is incident on one pixel around 7a.
  • the image information obtained by imaging the light that has passed through the normal diaphragm unit 5a has a larger space than the image information obtained by imaging the light that has passed through the coded diaphragm unit 5b.
  • the arrangement of the throttle portions 5a and 5b is not limited to three, and may be four or more as shown in FIG.

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Abstract

被写体距離を高精度に取得できるとともに、高画質な画像を取得する。被写体（Ａ）からの光を集光する撮像レンズ（４）と、該撮像レンズ（４）に隣接して配置された絞り部材（５）と、撮像レンズ（４）により集光され、絞り部材（５）を通過した光を撮像する撮像素子（７）と、撮像素子（７）と撮像レンズ（４）との間に、光軸方向に間隔をあけて配置されたマイクロレンズアレイ（６）とを備え、絞り部材（５）が、略円形の開口を有する少なくとも１つの通常絞り部と、所定パターンの開口を有する少なくとも２つの符号化絞り部とを備える撮像装置（１）を提供する。

Description

撮像装置
　本発明は、撮像装置に関するものである。
　従来、マイクロレンズアレイを用いた撮像装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
　この撮像装置は、撮像レンズとセンサとの間に各レンズに対して複数の画素が割り当てられたマイクロレンズアレイが備えられている。この撮像装置によれば、複数の視差画像を同時に取得することができ、公知のステレオマッチング処理を行うことにより被写体までの距離を被写体上のいたるところで測定することができる。
特許第４７５２０３１号公報
　しかしながら、テクスチャ情報の少ない被写体を撮像する場合や、ぼけが存在する場合に、ステレオマッチング処理の精度が低下し、距離を精度よく測定することができなくなるという不都合がある。
　本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、被写体距離を高精度に取得できるとともに、高画質な画像を取得することができる撮像装置を提供することを目的としている。
　上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
　本発明の一態様は、被写体からの光を集光する撮像レンズと、該撮像レンズに隣接して配置された絞り部材と、前記撮像レンズにより集光され、前記絞り部材を通過した光を撮像する撮像素子と、該撮像素子と前記撮像レンズとの間に、光軸方向に間隔をあけて配置されたマイクロレンズアレイとを備え、前記絞り部材が、略円形の開口を有する少なくとも１つの通常絞り部と、所定パターンの開口を有する少なくとも２つの符号化絞り部とを備える撮像装置を提供する。
　本態様によれば、撮像レンズによって集光された被写体からの光が絞り部材を通過させられる際に、通常絞り部と符号化絞り部のいずれかを通過させられる。絞り部材を通過した光はマイクロレンズアレイを通過させられて撮像素子の撮像面に入射させられる。略円形の開口を有する通常絞り部を通過した光は、撮像面に入射させられることにより、高精度の画像を取得することができる。また、所定パターンの開口を有する少なくとも２つの符号化絞り部を通過した光は、撮像面に入射させられることにより、高周波成分を有する画像情報を取得可能とするとともに、マイクロレンズアレイによって集光された光を撮像することにより得られた画像情報は視差を有し、その視差情報を用いて被写体までの距離を精度よく測定することができる。
　上記態様においては、前記符号化絞り部を通過した光を前記撮像素子によって撮像することにより取得された画像情報に基づいて距離情報を算出する距離情報算出部と、前記通常絞り部を通過した光を前記撮像素子によって撮像することにより取得された画像情報を用いて画像を生成する画像生成部と、該画像生成部により生成された画像の各画素に前記距離情報算出部により算出された距離情報を対応づける合成部とを備えていてもよい。
　このようにすることで、距離情報算出部により被写体までの距離が精度よく算出されるので、合成部により、画像生成部によって生成された被写体の画像の各画素に被写体までの距離が対応づけられた高画質な画像を生成することができる。
　また、上記態様においては、前記通常絞り部および前記符号化絞り部が互いに交差する２方向に沿って配列され、前記通常絞り部および前記符号化絞り部の一方向の合計配列数がｘ個、他方向の合計配列数がｙ個であるとき、前記マイクロレンズアレイのマイクロレンズの前記一方向の配列数が、ｉ×ｘ個、前記他方向の配列数がｊ×ｙ個であってもよい。
　ここで、ｉおよびｊは、１以上の整数である。
　このようにすることで、互いに交差する２方向に視差を有する画像情報を取得でき、被写体までの距離をさらに精度よく算出することができる。
　また、上記態様においては、前記通常絞り部および前記符号化絞り部が互いに交差する２方向に沿って配列され、前記通常絞り部および前記符号化絞り部の一方向の合計配列数がｘ個、他方向の合計配列数がｙ個であるとき、前記マイクロレンズアレイの各マイクロレンズに対応する前記撮像素子の前記一方向の画素数が、ｋ×ｘ個、前記他方向の画素数がｍ×ｙ個であってもよい。
　ここで、ｋおよびｍは、１以上の整数である。
　このようにすることで、通常絞り部および符号化絞り部を通過した光を漏れなく撮像して、高精度の距離情報を有する高画質な画像を取得することができる。
　また、上記態様においては、前記距離情報算出部が、異なる位置に配置されている前記符号化絞り部を通過して前記撮像素子により取得された２以上の画像情報を用いてマッチング処理を行うことにより算出された視差情報を用いて距離情報を算出してもよい。
　本発明によれば、被写体距離を高精度に取得できるとともに、高画質な画像を取得することができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る撮像装置を示すブロック図である。 図１の撮像装置の絞り部材の一例を示す図である。 図１の撮像装置の絞り部材から撮像素子までの光線を説明する図である。 図１の撮像装置の距離情報算出部を示すブロック図である。 図１の撮像装置により取得されたボケの程度の異なる画像であって、（ａ）符号化絞り部を通過しボケの少ない画像例、（ｂ）符号化絞り部を通過しボケの多い画像例、（ｃ）通常絞り部を通過しボケの少ない画像例、（ｄ）通常絞り部を通過しボケの多い画像例を示す図である。 図５の画像例（ａ）～（ｄ）に対応する周波数特性を示す図である。 （ａ）、（ｂ）ともに、図２の絞り部材における符号化絞り部の変形例を示す図である。 図１の撮像装置の変形例であって、各絞り部を通過した光に対してそれぞれ複数のマイクロレンズが対応している場合を示す図である。 図１の撮像装置の他の変形例であって、通常絞り部を通過した光に対するマイクロレンズが、符号化絞り部を通過した光に対するマイクロレンズより大きい場合を示す図である。 図１の撮像装置の他の変形例であって、絞り部材を通過した光がマイクロレンズアレイに結像するように配列されたものを示す図である。 図１０の撮像装置の変形例であって、各絞り部を通過した光が複数の画素に入射させられる場合を示す図である。 図１０の撮像装置の他の変形例であって、通常絞り部を通過した光を受光する画素が、符号化絞り部を通過した光を受光する画素よりも多い場合を示す図である。 図２の絞り部材の変形例を示す図である。
　本発明の一実施形態に係る撮像装置１について、図面を参照して以下に説明する。
　本実施形態に係る撮像装置１は、図１に示されるように、被写体Ａを撮像して画像情報を取得する撮像部２と、該撮像部２により取得された画像情報を処理する画像処理部３とを備えている。
　撮像部２は、図１に示されるように、被写体Ａからの光を集光する撮像レンズ４と、該撮像レンズ４に隣接して配置された絞り部材５と、該絞り部材５を通過し実像Ｂを結像した後の光を入射させるマイクロレンズアレイ６と、該マイクロレンズアレイ６の各マイクロレンズ６ａの結像位置に配置される撮像素子７とを備えている。
　絞り部材５は、図２に示されるように、撮像レンズ４によって集光された被写体Ａからの光の一部を通過させる略円形の開口を有する通常絞り部５ａと、該通常絞り部５ａを挟んで２カ所に配置された符号化絞り部５ｂとを備えている。
　２つの符号化絞り部５ｂは同一形状の開口を有するものであり、その開口の形状は、例えば、図２に示されるように単一の円形以外の任意の所定パターンを有している。
　マイクロレンズアレイ６は、実像Ｂの位置から撮像素子７の方向に向かって光軸方向に離れた位置に、相互に交差する２方向に２次元状に配列された複数のマイクロレンズ６ａを備えている。これによりマイクロレンズアレイ６の各マイクロレンズ６ａは、実像Ｂを撮像素子７の撮像面７ａに結像させるようになっている。
　撮像素子７は、例えば、ＲＧＢ原色系のＣＣＤである。
　画像処理部３は、撮像素子７により取得された画像情報をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器８と、ディジタル信号に変換された画像情報を一時記憶するバッファ９と、該バッファ９に記憶された画像情報のうち、通常絞り部５ａを通過した光の画像情報と符号化絞り部５ｂを通過した光の画像情報とを区別して出力する選択部１０と、該選択部１０により選択された通常絞り部５ａを通過した光の画像情報が入力される信号処理部１１と、選択部１０により選択された符号化絞り部５ｂを通過した光の画像情報が入力される距離情報算出部１２と、信号処理部１１から出力される画像信号と距離情報算出部１２から出力される距離情報とを対応づける合成部１３とを備えている。
　図中、符号１４は、バッファ９に記憶された画像情報に基づいて、撮像レンズ４、絞り部材５および撮像素子７を制御する撮像制御部、符号１５は、画像処理部３を制御する制御部、符号１６は、制御部１５に対して外部信号を入力するＩ／Ｆ部である。
　図３に示されるように、絞り部材５の中央の通常絞り部５ａを通過した光線（斜線部）は、中央のマイクロレンズ６ａを通過して撮像素子７の撮像面７ａに結像させられるようになっている。一方、通常絞り部５ａを挟んで配置される２カ所の符号化絞り部５ｂを通過した光線は、中央のマイクロレンズ６ａを挟む位置に配置されているマイクロレンズ６ａをそれぞれ通過して撮像素子７の撮像面７ａの異なる位置に結像させられるようになっている。
　撮像素子７における結像位置により、絞り部材５のどの部分を通過した画像情報であるかが予め分かっているので、選択部１０は撮像素子７上に結像した光の画像情報をその撮像素子７上の位置情報を用いて信号処理部１１か距離情報算出部１２のいずれかに転送するようになっている。
　信号処理部１１は、選択部１０から転送されてきた通常絞り部５ａを通過した光の画像情報に対して、公知のデモザイキング処理およびホワイトバランス処理を行い、各画素についてＲＧＢの三板状態の画像信号を生成するようになっている。
　一方、距離情報算出部１２は、図４に示されるように、選択部１０から転送されてきた符号化絞り部５ｂを通過した光の画像情報を記憶するバッファ１７と、該バッファ１７に記憶された画像情報から視差情報を算出する視差情報算出部１８と、該視差情報算出部１８により算出された視差情報に基づいて被写体Ａまでの距離を算出する距離算出部１９とを備えている。
　視差情報算出部１８は、図２に示される２つの符号化絞り部５ｂを通過した光の２つの画像情報に対して公知のマッチング処理を行い、視差情報を算出するようになっている。
　バッファ１７に記憶された画像情報は単板の信号であるため、マッチング処理を行う際には事前に各画素の輝度信号を抽出しておく。
　例えば、単板状態の画像情報に対してＧ信号のみを抜き出したり、公知のデモザイキング処理を行って三板状態の信号に変換した後に、Ｇ信号を抜き出したりすればよい。
　距離算出部１９は、マイクロレンズ６ａの焦点距離をｆμ、マイクロレンズ６ａの径をφとすると、マッチング処理における基線長は２φとなるので、マイクロレンズアレイ６と実像Ｂとの距離ｚは下式（１）により算出される。
　ｚ＝ｆμ×２φ／ｄ　　　　（１）
　ここで、ｄはマッチング処理により算出された視差量を示す。
　撮像レンズ４の結像倍率をＭとすると、撮像レンズ４と被写体Ａとの距離Ｚは、下式（２）の通りとなる。
　Ｚ＝ｚ／Ｍ　　　　　　　　（２）
　合成部１３は、信号処理部１１において算出された画像信号と、距離情報算出部１２において算出された距離情報とを対応づけるようになっている。合成部１３における対応付けは以下のようにして行われるようになっている。
　すなわち、画像信号と距離情報との空間解像度が異なる場合には、画像信号の空間解像度に合わせて、公知のバイキュービック補間により距離情報の空間解像度を変換する。これにより、画像信号の１画素毎に距離情報を対応づけることができるようになっている。
　このように構成された本実施形態に係る撮像装置１の作用について以下に説明する。
　本実施形態に係る撮像装置１を用いて、被写体Ａと撮像レンズ４との間の距離Ｚを計測するには、Ｉ／Ｆ部１６を介してＩＳＯ感度、露出などの撮像条件を設定した後、図示しないシャッタボタンを半押しにすることにより、プリ撮像モードに入る。被写体Ａからの光は撮像レンズ４を介して撮像部２内に入り、実像Ｂを結像した後にマイクロレンズアレイ６によって集光され撮像素子７により撮像される。
　撮像素子７により取得された画像情報は、画像処理部３に送られる。
　画像処理部３に送られてきた画像情報は、まずＡ／Ｄ変換器８においてディジタル信号に変換された後、バッファ９に一時記憶され、この後に、撮像制御部１４に送られる。撮像制御部１４は、送られてきた画像信号中の輝度レベルを用いて絞り部材５の開度調節モータ５ｃを制御し、撮像素子７における電子シャッタ速度を制御する。また、撮像制御部１４は、撮像レンズ４のＡＦモータ４ａを制御して、画像信号から所定領域におけるコントラスト値を算出し、該コントラスト値が最大となるように撮像レンズ４を所定の焦点距離に設定する。
　この状態で、シャッタボタンを全押しすることにより、本撮像が行われる。本撮像は、撮像制御部１４において求められた焦点距離および露光条件に基づいて行われ、取得された画像情報は、Ａ／Ｄ変換器８においてディジタル信号に変換され、バッファ９に格納された後、選択部１０に送られて、画素毎に信号処理部１１か距離情報算出部１２のいずれかに送られる。
　絞り部材５のうち、通常絞り部５ａを通過した光が結像された画素からの画像情報は、選択部１０から信号処理部１１に送られて２次元画像信号が生成される。
　一方、絞り部材５のうち、符号化絞り部５ｂを通過した光が結像された画素からの画像情報は、選択部１０から距離情報算出部１２に送られて距離情報が算出される。
　そして、信号処理部１１から出力された２次元画像信号と、距離情報算出部１２から出力された距離情報とは合成部１３に送られて、距離情報が画素毎に対応づけられた２次元画像信号が生成される。
　この場合において、本実施形態に係る撮像装置１によれば、符号化絞り部５ｂを通過した光を用いて距離情報を算出しているので、以下の利点がある。
　すなわち、撮像レンズ４がテレセントリック光学系であると仮定すると、ボケの形状は絞り部５ａ，５ｂの開口形状に比例することが分かっている。
　図５（ａ）より図５（ｂ）の方がよりボケており、図５（ｃ）より図５（ｄ）のほうがよりボケていることが示されている。
　このボケの形状をフーリエ変換すると図６に示される通りである。図６の横軸は周波数を示し、縦軸は規格化された画素値を示している。
　図６によれば、図５（ａ）および図５（ｂ）の周波数特性は、図５（ｃ）および図５（ｄ）の周波数特性に比べて、高周波成分に高い画素値が存在していることが分かる。
　マッチング処理においては、画像信号にテクスチャ情報、すなわち、高周波成分の信号が少ない場合に、マッチング処理の精度が低下し、距離情報の精度が低下する。図５（ａ），（ｂ）のように符号化絞り部５ｂを通過した画像情報は、通常絞り部５ａを通過した画像情報に比べて高周波成分が高いため、マッチング処理の精度が向上し、距離情報を精度よく算出することができるという利点がある。
　また、図５（ｂ），（ｄ）のようにボケた画像情報であっても、図５（ｂ）の符号化絞り部５ｂを通過した画像情報には高周波成分が存在するため、マッチング処理の精度を維持することができる。すなわち、距離情報を測定できる奥行き方向の範囲が通常絞り部５ａを通過した光に基づく画像情報に比べて広くなるという利点がある。
　テレセントリック光学系を例示して説明したが、他の光学系においても同様である。
　このように、本実施形態に係る撮像装置１によれば、通常絞り部５ａを通過した光を撮像して得られた画像情報によって、高画質な画像信号を取得することができるとともに、符号化絞り部５ｂを通過した光を撮像して得られた画像情報によって被写体Ａまでの距離Ｚを精度よく取得することができるという利点がある。
　なお、本実施形態に係る撮像装置１においては、図２に示されるような符号化絞り部５ｂを有する絞り部材５を採用したが、これに代えて、図７（ａ），（ｂ）に示されるような符号化絞り部５ｂを有していてもよい。また、通常絞り部５ａと符号化絞り部５ｂのそれぞれに単一のマイクロレンズ６ａが対応している場合を例示したが、これに代えて、図８に示されるように、通常絞り部５ａと符号化絞り部５ｂのそれぞれに複数（例えば、２個）のマイクロレンズ６ａが対応するマイクロレンズアレイ６を採用してもよい。
　図３および図８のように、マイクロレンズの数は絞り部の数の倍数になっており、これらの場合、絞り部の数は３であるので、マイクロレンズ６ａの個数は３の倍数となっている。２次元の場合も同様に、一方向の絞り部５ａ，５ｂの数をｘ個、他方向の絞り部５ａ，５ｂの数をｙ個とすると、マイクロレンズ６ａの一方向の個数Ｎｘおよび他方向の個数Ｎｙは下式（３）の通りとなる。
　Ｎｘ＝ｉ×ｘ，　Ｎｙ＝ｊ×ｙ　　　　　（３）
　ここで、ｉ，ｊは１以上の整数である。
　また、絞り部５ａ，５ｂの面積は全て同じではなくてもよい。図９に示されるように絞り部５ａ，５ｂの面積を異ならせてもよい。
　この場合、中央の大きな通常絞り部５ａを通過した光は中央の大きな径のマイクロレンズ６ａを通過し、撮像素子７の結像面７ａに結像する。一方、通常絞り部５ａを挟んで両側に配置されている通常絞り部５ａより面積の狭い符号化絞り部５ｂを通過した光は、中央のマイクロレンズ６ａを挟んで配置されている小さいマイクロレンズ６ａを通過して撮像素子７の撮像面７ａに結像するようになっている。
　このようにすることで、通常絞り部５ａを通過した光を撮像して得られた画像情報については、符号化絞り部５ｂを通過した光を撮像して得られた画像情報よりも、その空間解像度を高くすることができるという利点がある。
　また、撮像部２としては、図１０に示されるように、撮像レンズ４により集光された光がマイクロレンズアレイ６上で結像しているものも考えることができる。この場合、図１０に示されるように、中央の通常絞り部５ａを通過した光は、撮像素子７の撮像面７ａの中央の画素に実像が結像している。
　すなわち、各絞り部５ａ，５ｂを通過した光をマイクロレンズアレイ６において結像させる。この場合、マイクロレンズ６ａ毎に３画素の中央の画素において取得された画像情報を抜き出すことにより、通常絞り部５ａを通過した光の画像情報を取得でき、３画素の両側の画素において取得された画像情報を抜き出すことにより、２つの符号化絞り部５ｂを通過した光の画像情報を取得することができる。
　１個のマイクロレンズ６ａに対応する画素数は３画素でなくてもよい。例えば、図１１に示されるように、６画素が対応していてもよい。
　このような撮像部２の場合、１個のマイクロレンズ６ａに対応する画素数は絞り部５ａ，５ｂの数の倍数になっている。この場合、絞り部５ａ，５ｂが３つであるので、画素数は３の倍数である。
　２次元の場合も同様に、一方向の絞り部５ａ，５ｂの数をｘ個、他方向の絞り部５ａ，５ｂの数をｙ個とすると、１個のマイクロレンズ６ａに対応する一方向の画素数Ｐｘおよび他方向の画素数Ｐｙは下式（４）の通りとなる。
　Ｐｘ＝ｋ×ｘ，　Ｐｙ＝ｍ×ｙ　　　　　（４）
　ここで、ｋ，ｍは１以上の整数である。
　また、絞り部５ａ，５ｂの面積は全て同じではなくてもよい。図１２に示されるように絞り部５ａ，５ｂの面積を異ならせてもよい。
　この場合、中央の大きな通常絞り部５ａを通過した光はマイクロレンズ６ａに結像し、撮像素子７の撮像面７ａの４画素に入射する。一方、通常絞り部５ａを挟んで両側に配置されている通常絞り部５ａより面積の狭い符号化絞り部５ｂを通過した光は、同じマイクロレンズ６ａに結像した後、撮像素子７の撮像面７ａの周辺の１画素に入射する。
　このようにすることで、通常絞り部５ａを通過した光を撮像して得られた画像情報については、符号化絞り部５ｂを通過した光を撮像して得られた画像情報よりも、その空間解像度を高くすることができるという利点がある。
　絞り部５ａ，５ｂの配置は、３つでなくてもよく、図１３に示されるように４つあるいはそれ以上でもよい。
　Ａ　被写体
　１　撮像装置
　４　撮像レンズ
　５　絞り部材
　５ａ　通常絞り部
　５ｂ　符号化絞り部
　６　マイクロレンズアレイ
　６ａ　マイクロレンズ
　７　撮像素子
　１１　信号処理部（画像生成部）
　１２　距離情報算出部
　１３　合成部

Claims (5)

  1. 　被写体からの光を集光する撮像レンズと、
    　該撮像レンズに隣接して配置された絞り部材と、
    　前記撮像レンズにより集光され、前記絞り部材を通過した光を撮像する撮像素子と、
    　該撮像素子と前記撮像レンズとの間に、光軸方向に間隔をあけて配置されたマイクロレンズアレイとを備え、
    　前記絞り部材が、略円形の開口を有する少なくとも１つの通常絞り部と、所定パターンの開口を有する少なくとも２つの符号化絞り部とを備える撮像装置。
  2. 　前記符号化絞り部を通過した光を前記撮像素子によって撮像することにより取得された画像情報に基づいて距離情報を算出する距離情報算出部と、
    　前記通常絞り部を通過した光を前記撮像素子によって撮像することにより取得された画像情報を用いて画像を生成する画像生成部と、
    　該画像生成部により生成された画像の各画素に前記距離情報算出部により算出された距離情報を対応づける合成部とを備える請求項１に記載の撮像装置。
  3. 　前記通常絞り部および前記符号化絞り部が互いに交差する２方向に沿って配列され、
    　前記通常絞り部および前記符号化絞り部の一方向の合計配列数がｘ個、他方向の合計配列数がｙ個であるとき、
    　前記マイクロレンズアレイのマイクロレンズの前記一方向の配列数が、ｉ×ｘ個、前記他方向の配列数がｊ×ｙ個である請求項１または請求項２に記載の撮像装置。
    　ここで、ｉおよびｊは、１以上の整数である。
  4. 　前記通常絞り部および前記符号化絞り部が互いに交差する２方向に沿って配列され、
    　前記通常絞り部および前記符号化絞り部の一方向の合計配列数がｘ個、他方向の合計配列数がｙ個であるとき、
    　前記マイクロレンズアレイの各マイクロレンズに対応する前記撮像素子の前記一方向の画素数が、ｋ×ｘ個、前記他方向の画素数がｍ×ｙ個である請求項１または請求項２に記載の撮像装置。
    　ここで、ｋおよびｍは、１以上の整数である。
  5. 　前記距離情報算出部が、異なる位置に配置されている前記符号化絞り部を通過して前記撮像素子により取得された２以上の画像情報を用いてマッチング処理を行うことにより算出された視差情報を用いて距離情報を算出する請求項１から請求項４のいずれかに記載の撮像装置。
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