WO2015075769A1 - 撮像装置及び距離測定装置 - Google Patents

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    • G06T2207/10056—Microscopic image

Definitions

  • the image 40 is a corrected first image displayed on the output unit 28, and includes an image 42 of a vehicle traveling ahead.
  • a vehicle image 42 is detected based on the feature amount, and a small region 41 having a position and size that matches the vehicle image 42 is set.
  • the blur amount of the subject image is substantially constant regardless of the subject distance within a certain distance from the in-focus position.
  • the subject image with a substantially constant blur amount is restored to a relatively clear subject image by correction processing using an OTF inverse filter or the like in the image processing unit 24.
  • phase distribution given to the light beam by the phase modulation element 5 is not limited to a shape represented by a cubic function, and may have a shape represented by a polynomial including a cubic term.
  • the depth of field can be expanded, the subject distance can be detected, the shooting time is relatively short, and the memory has a relatively small capacity. This is feasible, and it is difficult to cause a decrease in resolution and erroneous detection of the subject distance, and it is possible to realize a highly accurate subject distance detection with a relatively inexpensive and compact imaging device. Furthermore, it is possible to realize an imaging apparatus that can detect the subject distance even when the subject is present on both the near side from the in-focus distance and the far side from the in-focus distance.
  • the imaging apparatus 102 includes an optical system 10, an imaging element 7a, an imaging element 7b, an image generation unit 22a, an image generation unit 22b, an image storage unit 23a, an image storage unit 23b, an image processing unit 24, and an image.
  • a correction variable storage unit 25, a modulation ratio information storage unit 27, a distance detection unit 26, an output unit 28, and a control unit 21 are provided.
  • the optical system 10 includes a front lens group 2, a rear lens group 6a and a rear lens group 6b, a beam splitting means 3, an aperture 4a, an aperture 4b, and a phase modulation element 5.
  • the image pickup device 7a and the image pickup device 7b are the same as the image pickup device 7 shown in the first embodiment, and phase modulation is performed on the surface of the image pickup device 7a.
  • phase modulation is performed on the surface of the image pickup device 7a.
  • a subject image that is not subjected to phase modulation by the phase modulation element 5 is formed on the surface of the image sensor 7b.
  • the subject image formed on the image sensor 7a is converted into an analog signal by the image sensor 7a, and further converted into a digital signal by the image generator 22a, so that image data corresponding to the subject image is obtained. Generated.
  • the subject image formed on the image sensor 7b is converted into an analog signal by the image sensor 7b, and further converted into a digital signal by the image generator 22b, thereby generating image data corresponding to the subject image.
  • the image data of the image with the blur generated by the image generation unit 22a is “first image”
  • the image data of the image without the blur generated by the image generation unit 22b is “second image”. This is called “image”.
  • the image storage unit 23a stores the first image from the image generation unit 22a
  • the image storage unit 23b stores the second image from the image generation unit 22b.
  • the image processing unit 24 receives the first image, and performs correction processing on the first image in the same manner as in the first embodiment.
  • no correction process is performed on the second image.
  • the distance detection unit 26 specifies the distance to the subject based on the corrected first image and second image by the same method as in the first embodiment. Note that the output of the image and the output of the subject distance are the same as in the first embodiment, and a description thereof is omitted here.
  • phase modulation element 5 and the cylindrical phase addition element 50 may be respectively inserted and removed.
  • the phase modulation element 5 and the cylindrical phase addition element 50 are integrated, and one of them is inserted into the optical path and the other is driven out of the optical path. Also good.
  • the phase modulation element 5 and the cylindrical phase addition element 50 are configured by the same element, and a liquid crystal element is provided in a part of the configuration, and the phase applied by switching the direction of the liquid crystal molecules of the liquid crystal element. It may be a method of switching between.
  • the degree of decrease in the modulation degree of the OTF due to the defocusing of the subject in the second state differs depending on the direction of the spatial frequency, specifically, the direction corresponding to the short axis side of the point image ellipse.
  • the degree of modulation of the OTF is the smallest, while the degree of modulation of the OTF in the direction corresponding to the major axis side of the point image ellipse is the largest.
  • the depth of field can be expanded and the distance of the subject can be detected. Relatively little imaging time is required, the required memory is relatively small, resolution is not reduced, and the system is relatively inexpensive, compact, and has a relatively high detection accuracy. Provided.
  • FIG. 14 shows, as an example, the calculation result of the point image artifact for each subject distance in such a case.
  • the subject distance 213 mm is set as the focus distance
  • the focal length 2.9
  • the aperture area 2.61 mm 2
  • the cubic function coefficient 87.
  • this invention is not limited to the above-mentioned Example, Various modifications are included.
  • the above-described embodiments are described in detail for the entire system in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.

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Abstract

　被写界深度の拡大や被写体距離の検出を、合焦距離より手前と奥の両方に被写体が存在しても、確実に検出可能な撮像装置を提供する。　被写体の光学像を結像する光学系と、前記光学系により得られた被写体の光学像を信号に変換する撮像素子と、前記撮像素子により得られた信号に所定の演算処理を施すことによって映像信号を得る画像処理部とを備え、前記光学系は、当該系内の光路の一部に配置され、前記被写体の合焦距離及びその前後の所定の距離において前記光学像のボケ量が一様となる様に設計された位相変調素子を有し、前記画像処理部は、取得した信号を補正することにより像のボケをなくした復元画像を生成する変換手段を有しており、更に、前記画像処理部は、前記位相変調素子による位相の変調を行う状態である第一状態での像から変換された信号と、前記位相の変調を行わない状態である第二状態での像から変換された信号とを取得し、当該信号を用いて前記被写体の距離を検出する撮像装置。

Description

撮像装置及び距離測定装置
　本発明は、被写界深度を拡大し、かつ、被写体の距離を検出する撮像装置及び距離測定装置に関する。
　本発明が関する技術分野における背景技術として、例えば、以下の特許文献１には、撮像装置の合焦位置を変更しながら複数回、撮像を行い、複数の画像を合成することにより、被写界深度が拡大された画像を生成し、かつ、被写体の距離を検出する技術が開示されている。
　また、以下の特許文献２には、光学系にマイクロレンズアレイを配置することによって多視点による被写体の像を撮像素子上に形成し、各視点毎に像の情報を記録し、もって、記録した情報から被写体の距離を検出する技術が開示されている。なお、この技術によれば、焦点深度の拡大された画像を生成することもできる。
　一方、以下の特許文献３には、光束の位相を変調する位相変調素子を光学系の中に配置し、その光学伝達関数（ＯＴＦ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を被写体の合焦距離からある距離の範囲内で本質的に一定にして、被写界深度を拡大させること、そして、位相変調素子で変調したＯＴＦに起因する変調中間画像を信号処理し、位相変調素子による変調分を取り除くことにより、被写界深度を拡大する技術が開示されている。
　また、上述した特許文献３に関連した技術として、以下の特許文献４には、光学系の外部に設けた距離測定装置により被写体距離を検出する技術が開示されている。
　加えて、以下の特許文献５には、被写体の合焦距離からの離れ具合に応じて信号処理後の画像にアーチファクトが発生することを利用して、即ち、発生するアーチファクトに基づいて被写体距離を検出する技術が開示されている。
　そして、以下の特許文献６には、受光素子上での被写体像の位置ずれに基づいて被写体の距離を検出する技術が開示されている。
特開２０１３－２０２１２号公報 米国特許第２,０８０,１８７号 米国特許第５,７４８,３７１号 特開２００６－９４４６９公報 特開２０１０－８７８７５公報 特開２０１０－８７８８１公報
　上述した特許文献１～６に記載の技術によれば、撮像装置において被写界深度を拡大し、かつ、被写体の距離を検出することができるが、しかしながら、それぞれには以下の問題がある。
　まず、上記の特許文献１の技術では、合焦位置を変更しながら複数回、撮像を行うことから、画像の取得に時間が掛ってしまう。また、複数の画像を蓄えることから、そのためのメモリも容量が大きなものが必要となる。
　次に、上記特許文献２に記載の方法では、撮像素子の画素を各視点毎に分割しているため、一つの視点からの画像を生成する画素の数は相対的に少なく、そのため、解像度が低下してしまう。
　また、上記の特許文献３やこれに関連する上記特許文献４に記載の方法では、光学系の外部に、別途、距離検出装置を設ける必要があることから大きなコストアップを生じ、また、システム全体もサイズが大きなものになってしまう。
　更に、上記特許文献５に記載の方法では、元来、被写体の持つ輪郭やテクスチャーと、信号処理後の画像のアーチファクトとの間を区別することができない。そのため、被写体によっては、その距離を誤検出してしまう。また、原理的にも、アーチファクトと被写体距離とは必ずしも一対一で対応する訳ではなく、例えば、被写体が、合焦距離より手前に離れて位置している場合、又は、奥に離れて位置している場合においても、同一のアーチファクトが発生してしまう。このため、アーチファクトの情報からだけでは、被写体が合焦距離から手前に離れているのか、又は、奥に離れているのかについては、その区別をすることが出来ない。そのため、被写体距離の誤検出を避けるには、合焦距離より手前にのみ被写体が存在するか、或いは、合焦距離より奥にのみ被写体が存在するかのいずれかの状態においてのみ、被写体距離検出を実施する必要がある。
　そして、上記特許文献６に記載の方法では、受光素子上での被写体像の位置を比較するため、被写体像の特徴点を検出することが必要となる。しかしながら、被写体によっては、その輪郭やテクスチャーが明瞭ではなく、その特徴点を検出することが困難である場合が生じる。また、被写体距離が合焦距離から離れて被写体像のボケ量が大きくなると、やはり、特徴点の検出は困難となる。なお、特徴点を検出できない場合、被写体の距離を検出することは不可能である。
　また、光学系によっては、受光素子上での被写体像の位置ずれは、例えば、数１００ｎｍ程度と、非常に小さく、そのため、精度の高い検出が必要となる。しかしながら、かかる被写体距離での高精度の検出は難しく、また、既述のように、原理的にも、被写体像の位置ずれと被写体の距離とは、一対一に対応する訳ではなく、上記と同様に、被写体が合焦距離から手前に離れている場合と、奥に離れている場合とで、同一量、同一方向の被写体像の位置ずれが発生する場合がある。そのため、位置ずれの情報だけでは、被写体が合焦距離から手前に離れているのか、奥に離れているのかの区別をすることが出来ず、かかる被写体距離の誤検出を避けるには、合焦距離より手前側のみ被写体が存在するか、合焦距離より奥にのみ被写体が存在するかのいずれかの状態においてのみ、被写体距離検出を実施する必要がある。
　そこで、本発明は、上述した従来技術の課題に鑑みて為されたものであって、被写界深度の拡大や被写体距離の検出を、合焦距離より手前と、合焦距離より奥の両方に被写体が存在しても、確実に検出することができる撮像装置及び距離測定装置を実現するための技術を提供するものである。
　上記課題を解決するために、本発明は、以下に述べる特許請求の範囲に記載の構成を採用する。その構成の一例としては、例えば、被写体の光学像を結像する光学系と、前記光学系により得られた被写体の光学像を信号に変換する撮像素子と、前記撮像素子により得られた信号に所定の演算処理を施すことによって映像信号を得る画像処理部とを備えた撮像装置において、前記光学系は、当該系内の光路の一部に配置され、前記被写体の合焦距離及びその前後の所定の距離において前記光学像のボケ量が一様となる様に設計された位相変調素子を有し、前記画像処理部は、取得した信号を補正することにより像のボケをなくした復元画像を生成する変換手段を有しており、更に、前記画像処理部は、前記位相変調素子による位相の変調を行う状態である第一状態での像から変換された信号と、前記位相の変調を行わない状態である第二状態での像から変換された信号とを取得し、当該信号を用いて前記被写体の距離を検出する撮像装置が提供される。
　上述した本発明によれば、被写界深度の拡大や被写体距離の検出を、合焦距離より手前と、合焦距離より奥の両方に被写体が存在しても、確実に検出することができる撮像装置実現することができるという実用的にも優れた効果を発揮する。
　また、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかになろう。
本発明の実施例１になる撮像装置の全体構成の例を示す図である。 上記実施例１の撮像装置に適用される位相変調素子の一構成例を示す図である。 上記実施例１の撮像装置に適用される位相変調素子の他の構成例を示す図である。 上記実施例１の撮像装置における被写体距離検出のための演算方法の説明図である。 上記実施例１の撮像装置における被写体距離と変調度比の関係を示す図である。 上記実施例１の撮像装置を適用した顕微鏡カメラでの取得画像の例を示す図である。 上記実施例１の撮像装置を適用した車載カメラでの取得画像の例を示す図である。 上記実施例１の撮像装置における位相変調素子により光束に付加される位相を示す図である。 本発明の実施例２に係わる撮像装置の一構成例を示す図である。 本発明の実施例３に係わる光学系の一構成例を示す図である。 上記実施例３において円筒位相付加素子により位相を付加された光束による点像の形状を示す図である。 上記実施例３における被写体距離と変調度比の関係を示す図である。 上記実施例に係わる光学系の一構成例を示す図である。 本発明との比較のため、従来技術におけるアーチファクトの発生の一例を示す図である。 本発明との比較のため、従来技術における被写体像の位置ずれ量の一例を示す図である。
　以下、本発明になる幾つかの実施の形態について、添付の図面を参照しながら、詳細に説明する。尚、以下の説明において、同様な機能又は構成を有する要素には、同一の符号を付し、重複した説明は省略するものとする。
　まず図１～図６を用いて、本発明の第１実施例になる撮像装置の構成を示す。なお、本実施例になる撮像装置は、例えば、ＡＶカメラ、携帯電話搭載カメラ、携帯情報端末搭載カメラ、車載カメラ、画像検査装置、自動制御用産業カメラ、顕微鏡カメラ等に適用することが可能である。
　図１は、第一実施例になる撮像装置１０１のブロック構成の一例を示しており、図において、撮像装置１０１は、被写体（物体）の像を結像する光学系１０、撮像素子７、画像生成部２２、画像記憶部２３、画像処理部２４、画像補正用変数格納部２５、変調度比情報格納部２７、距離検出部２６、出力部２８、及び、制御部２１を備える。
　光学系１０は、前玉レンズ群２及び後玉レンズ群６、絞り４、位相変調素子５を備える。
　絞り４は、上述した前玉レンズ群２及び後玉レンズ群６の間に設けられており、光学系１０を透過する光束を適切に絞る役割を果たす。位相変調素子５は絞り４の近傍に設けられている。
　位相変調素子５は、光学系１０を透過する光束の位相を変調する機能を有しており、以下に述べる制御部２１からの制御信号により、光学系１０の状態を、光学系１０を透過する光束が位相変調素子５により位相の変調を受ける第一状態と、位相変調素子５による位相の変調を受けない第二状態のいずれかの状態に切り換える。なお、この切り換えの方式としては、位相変調素子５を光路中に抜き差しすることにより、位相変調素子５が光学系１０の光路中に存在する状態と、存在しない状態の二つの状態を取る方式であってよい。これに代え、図２（ａ）、（ｂ）や図３（ａ）、（ｂ）に示す様に、位相変調素子５を２つに分けて一方を回転させることにより、位相変調の効果を与えたり、打ち消したりする方式でもよい。
　より具体的には、図２（ａ）、（ｂ）に示した位相変調素子５１、５２は、互いに同等の位相変調の効果を持っており、図２（ａ）は上記第一状態での位相変調素子の状態を表している。即ち、この状態では、位相変調素子５１と５２の位相変調の効果が加算され、もって、光束に対して上述した位相変調素子５と同等の位相変調効果を与える。他方、図２（ｂ）は上記の第二状態での位相変調素子の状態を表しており、位相変調素子５２が第一状態から１８０°回転した状態である。この状態では、位相変調素子５１、５２の位相変調効果が打ち消し合い、結果として光束に位相を与えない。
　又は、図３に示した位相変調素子５３、５４は、それぞれ、一次元方向にのみ位相変調の機能を持っており、かつ、互いに同等の位相変調の効果を持っている。図３（ａ）は、上述した第一状態での位相変調素子の状態を表しており、この状態では、位相変調素子５３、５４は互いに直交する方向に配置されている。即ち、この状態では、位相変調素子５３、５４の位相変調効果は加算されて二次元的な位相変調効果が得られ、光束に対して上記位相変調素子５と同等の位相変調効果を与える。他方、図３（ｂ）は第二状態での位相変調素子の状態を表しており、第一状態から位相変調素子５４が９０°だけ回転している。この状態では、位相変調素子５３、５４の位相変調の効果が打ち消し合い、結果として光束に位相差を与えない。
　更に、上述した位相変調素子５としては、上記のものに限定されることなく、例えば、液晶素子と偏光板の組み合わせであって、液晶分子の向きを切り換えることにより位相変調のＯＮ／ＯＦＦを切り換える方式であってもよい。尚、位相変調素子５の光学特性については図８に関連して後述する。
　上述した構成において、被写体から発して光学系１０に入射した光束は、前玉レンズ群２及び後玉レンズ群６の機能により、撮像素子７の面上に被写体像を結像する。そして、位相変調素子５が第一状態の時には、当該位相変調素子５による光束の位相変調効果により、合焦距離から或る距離の範囲内では、被写体距離によらず、被写体像のボケ量は略一定となる。また、第二状態の時には、合焦距離での被写体像のボケ量は最小となり、かつ、そのボケ量は、被写体距離が合焦距離から離れる程、大きくなる。
　撮像素子７は、その主面上に複数の画素を有しており、当該撮像素子７の面上に結像された被写体の像は、当該撮像素子７の各画素でアナログ信号に変換され、更に、画像生成部２２によりデジタル信号に変換され、もって、被写体像に対応した画像データが生成される。なお、以後の説明では、上記第一状態の時に生成される画像データを「第一画像」、第二状態の時に生成される画像データを「第二画像」と称する。
　画像記憶部２３は、上記画像生成部２２からの第一画像、第二画像を、それぞれ、その内部に格納する。一方、画像処理部２４は、上記第一画像を受け取り、当該第一画像に対して、上記位相変調素子５による位相変調に起因する被写体像のボケを除去するための補正処理を施す。当該補正処理の方法としては、例えば、第一状態での光学系１０のＯＴＦの逆フィルタを用い、第一画像に補正処理を施す方法を採用してもよい。このＯＴＦの逆フィルタの情報は、予め、補正用変数格納部２５内に格納されている。他方、第二画像に対しては、上記のような補正処理は行わない。上述した補正処理後の第一画像と第二画像は、それぞれ、出力部２８に供給されてもよい。
　距離検出部２６は、補正後の第一画像、そして、第二画像に対し、それぞれ、演算処理を行うことにより、被写体までの距離を特定する。ここで、当該演算処理の手順について図４を用いて説明する。
　図４において、符号ａ１、ｂ１は、それぞれ、補正後の第一画像、第二画像を表している。そして、符号ａ２、ｂ２は、それぞれ、上記補正後の第一画像ａ１、第二画像ｂ１を二次元フーリエ変換して得られる、所謂、空間周波数分布を表している。なお、空間周波数分布ａ２及びｂ２においては、その輝度が空間周波数の強度を表しており、具体的には、図の中心が空間周波数の０周波に対応する。更に、符号ａ３、ｂ３は、それぞれ、ａ２、ｂ２で示した図中に破線の矢印で示した方向（対角方向）に沿った空間周波数分布を表すグラフである。ここでは、横軸が空間周波数を、縦軸が強度を、それぞれ、示している。
　符号ｃは、上記ａ３で表される空間周波数毎の強度と、ｂ３で表される空間周波数毎の強度の比を表したグラフである。この様に、空間周波数毎の強度の比を取ることによれば、画像の内、被写体の持っている空間周波数の成分が打ち消し合うことから、ｃのグラフは、実質的に、上述した第一状態と第二状態のＯＴＦの変調度の比と同等の情報を表している。
　ここで、ＯＴＦの変調度比の被写体距離による変化を、添付の図５を用いて説明する。図５は、被写体距離毎に上記第一状態と第二状態のＯＴＦ、及び、ＯＴＦの変調度比を計算した結果を示している。この計算では、被写体距離２０００ｍｍを、合焦距離として設定している。また、計算条件は、焦点距離＝２．９ｍｍ、開口面積＝２．６１ｍｍ２、三次関数整数８７である。
　この図５では、その上段に被写体距離を示すと共に、中段に示すグラフは、各被写体距離での第一状態と第二状態のＯＴＦを表しており、濃線により第一状態のＯＴＦを、淡線により第二状態のＯＴＦを、それぞれ、表している。但し、第一状態のＯＴＦは、画像処理部２４による補正を受けた結果としてのＯＴＦである。また、図５の下段に示すグラフは、各被写体距離でのＯＴＦの変調度比を表している。第一状態でのＯＴＦは、被写体距離によって殆ど変化しないが、他方、第二状態でのＯＴＦは被写体距離により変化するので、ＯＴＦの変調度比は被写体距離により変化する。
　ここで、変調度比情報格納部２７は、被写体の距離に対応づけて、ＯＴＦの変調度比を格納している。距離検出部２６は、図４において符号ｃで表される空間周波数の強度比に適合するＯＴＦの変調度比を特定し、これに対応づけられた情報から、被写体までの距離を特定し、特定した被写体までの距離を、出力部２８に供給する。
　尚、ここでは、空間周波数毎の強度の比を空間周波数分布の対角方向に沿って演算する手順を説明したが、演算に用いる空間周波数情報は、上述した対角方向に限られず、任意の方向であってよい。又は、２次元的に得られる空間周波数分布の全ての情報を使って演算してもよい。
　また、空間周波数の強度比を求める領域は、取得画像の内の一部の小領域であってもよく、この小領域の大きさは、距離検出の精度を保つために、少なくとも１２８×１２８画素以上であることが望ましい。
　また、本実施例になる撮像装置を顕微鏡カメラに適用する場合には、補正後の第一画像の全領域を小領域に分割し、全ての小領域に対して被写体距離検出を行うことによればと、被写体のデプスマップを生成することができる。この被写体のデプスマップは、例えば、小領域ごとに、色相、彩度、明度などを変えて被写体距離を表現することにより実現できる。或いは、小領域毎に被写体距離を数値で表示する方法を採用してもよい。
　次に、図６に本実施例により生成された画像の一例を示す。この画像３０は、出力部２８に表示された補正後の第一画像であり、観察対象物体３１の像を含んでいる。画像３０は、その全領域が小領域に分割されており、小領域毎の被写体距離検出結果が、濃淡で表現されている。更に、この様にして取得した小領域毎の被写体距離に応じ、第一画像の小領域毎に最適な補正を改めて施すことにより、アーチファクトの除去された良好な画像を生成することができる。
　更に、本実施例を車載カメラに適用した場合の適用の一例を、図７を用いて説明する。画像４０は、出力部２８に表示された補正後の第一画像であり、前方を走行する車両の像４２を含んでいる。本例では、特徴量により車両の像４２が検出され、車両の像４２に適合する位置と大きさの小領域４１が設定されるものとする。
　そして、この小領域４１に対し、上述した距離検出を行うことにより、前方を走行する車両までの距離を精度良く検出することが出来る。なお、従来技術として、ステレオカメラにより前方を走行する車両の距離検出を行う方式が知られているが、しかしながら、本実施例の方式によれば、被写界深度を拡大することができ、かつ、システムをコンパクトにすることができるという優れた効果を発揮する。
　また、本実施例を携帯電話搭載カメラに適用した場合には、撮影した画像内の小領域をユーザーが指定することにより、その小領域内に撮像されている被写体の距離を表示するという利用方法が考えられる。又は、撮影した画像内の小領域をユーザーが指定した後、第一画像に対して改めて補正処理を施し、ユーザーが指定した小領域からはボケを排除し、その他の小領域には被写体距離に応じたボケ量を与えることによれば、あたかも、通常のカメラで撮影し、ユーザーが指定した小領域が合焦しているかのような画像を生成するという利用方法も考えられる。
　尚、上記の制御部２１は、上述した制御に加え、前玉レンズ群２の位置、後玉レンズ群６の位置、絞り４の絞り値などをも制御する。その結果、光学系１０の結像特性が制御される。補正用変数格納部２５は、光学系１０の結像特性に対応づけて、画像に適用すべき補正処理に用いる補正用変数を格納している。この補正用変数としては、上述したＯＴＦの逆フィルタを一例として挙げることができる。また、画像処理部２４は、上記制御部２１により制御された結像特性に適合する結像特性に対応づけて補正用変数格納部２５に格納されている補正用変数を用いて、画像に補正処理を施してもよい。
　また、像高に応じた光学系１０の結像特性の変化に対処するため、補正用変数格納部２５は、画像内の小領域に対応づけて補正用変数を格納してもよい。画像処理部２４は、画像内の小領域毎に、当該小領域に対応づけられて補正用変数格納部２５に格納されている補正用変数を用いて、補正処理を施してもよい。
　次に、図８（ａ）～（ｃ）を参照して、本実施例の撮像装置に用いられる位相変調素子５の光学特性について説明する。
　図８（ａ）は、光変調素子５によって光束に与えられる位相分布の等高線図である。図８（ｂ）は、上記図８（ａ）に示される位相分布のｙ方向と平行、かつ、ｘ方向と直交する断面を示し、図８（ｃ）は、上記図８（ａ）に示される位相分布のｘ方向と平行、かつ、ｙ方向と直交する断面を示している。ここで、図中のｘは、光学系１０の光軸と垂直で、かつ、撮像素子７上での水平方向を示している。また、図８（ｂ）のｙは、図８（ｃ）の水平方向ｘと直交する垂直方向を示している。
　上記位相変調素子５により与えられる位相分布は、例えば、三次関数で表される。この三次関数の係数をαとしたとき、本実施例に係わる位相変調素子５により光束に与えられる位相分布は、下記の式１に従って設計される。
　ｆ（ｘ,ｙ)＝α（ｘ３＋ｙ３）・・・（式１）
　このような位相変調素子５を含む光学系１０によれば、合焦点位置から或る距離の範囲内では、被写体距離によらずに被写体像のボケ量は略一定となる。そして、略一定のボケ量を伴う被写体像は、画像処理部２４におけるＯＴＦの逆フィルタ等を用いた補正処理により、比較的に鮮明な被写体像に復元される。
　尚、上記の位相変調素子５により光束に与えられる位相分布は、三次関数で表される形状に限定されず、その他、三次の項を含む多項式で表される形状を有してよい。
　以上説明した様に、位相変調部５は、通過する光束に特定の位相分布を与えることにより波面を変調する。
　以上説明した実施例１になる撮像装置によれば、被写界深度を拡大し、かつ、被写体距離を検出することができ、撮影の時間は比較的短く、かつ、比較的小さな容量のメモリで実現可能で、解像度の低下や被写体距離の誤検出も生じ難く、比較的安価でコンパクトな撮像装置を高精度の被写体距離検出を実現することが可能になる。更には、合焦距離より手前側と、合焦距離より奥側の両方に被写体が存在しても、被写体距離を検出することができる撮像装置を実現することができる。
　次に、図９を用いて本発明の第２実施例になる撮像装置の構成について説明する。なお、この図９は、第２実施例になる撮像装置１０２の構成を示すブロック図である。
　この第２実施例になる撮像装置１０２は、光学系１０、撮像素子７ａ、撮像素子７ｂ、画像生成部２２a、画像生成部２２ｂ、画像記憶部２３a、画像記憶部２３ｂ、画像処理部２４、画像補正用変数格納部２５、変調度比情報格納部２７、距離検出部２６、出力部２８、及び、制御部２１を備える。また、光学系１０は、前玉レンズ群２、後玉レンズ群６a及び後玉レンズ群６ｂ、光束分割手段３、絞り４a、絞り４ｂ、位相変調素子５を備える。
　前玉レンズ群２、絞り４a、後玉レンズ群６aは、上記実施例１で示した前玉レンズ群２、絞り４、後玉レンズ群６と同様の役割を果たす。光束分割手段３は、前玉レンズ群２と絞り４aの間に配置されており、前玉レンズ群２を透過した光束を、絞り４aの方向に進む第一光束と、絞り４ｂの方向に進む第二光束に分割する機能を有している。光束分割手段３は、具体的には、例えば、プリズムであってもよいし、又は、ハーフミラーであってもよい。光変調手段５は、常に、光束の位相を変調する。その光学特性については、上記の実施例１で示したのと同様であり、ここでは、その説明を省略する。絞り４ｂと後玉レンズ群６ｂは、第二光束に対し、上記絞り４ｂと後玉レンズ群６aが第一光束に対して果たす役割と同様の役割を果たす。但し、絞り４aと絞り４ｂ、後玉レンズ群６aと後玉レンズ群６ｂは、それぞれ、同一の設計である必要はなく、それぞれにおいて最適の設計にしてよい。また、光束分割手段３と絞り４a、絞り４ｂ、位相変調素子５は、その内の二つ以上が一体化されていてもよい。
　以上の第２実施例になる撮像装置１０２において、撮像素子７aと撮像素子７ｂは、上記の実施例１で示した撮像素子７と同様であり、当該撮像素子７aの面上には、位相変調素子５の位相変調に起因するボケを伴う被写体像が結像されることも同様である。他方、撮像素子７ｂの面上には、上記位相変調素子５による位相変調を受けない被写体像が結像される。
　撮像素子７a上に結像した被写体像は、上記と同様、当該撮像素子７aによりアナログ信号に変換され、更に、画像生成部２２aによりデジタル信号に変換され、もって、被写体像に対応した画像データが生成される。他方、撮像素子７ｂ上に結像した被写体像は、当該撮像素子７ｂによりアナログ信号に変換され、更に、画像生成部２２ｂによりデジタル信号に変換され、もって、被写体像に対応した画像データが生成される。なお、以後の説明においても、画像生成部２２aで生成されるボケを伴う画像の画像データを「第一画像」、画像生成部２２ｂで生成されるボケを伴わない画像の画像データを「第二画像」と称する。
　そして、画像記憶部２３ａは、上記画像生成部２２ａからの第一画像を、他方、画像記憶部２３ｂは、上記画像生成部２２ｂからの第二画像を、それぞれ、その内部に格納する。その後、画像処理部２４は第一画像を受け取り、上記の実施例1と同様に、第一画像に対して補正処理を施す。他方、第二画像に対しては、補正処理は行わない。その後、距離検出部２６では、上記実施例１と同様の方法で、補正後の第一画像、及び、第二画像に基づいて、被写体までの距離を特定する。なお、画像の出力や被写体距離の出力については、上記実施例１と同様であり、ここでは説明を省略する。
　即ち、本実施例によれば、上記実施例１と異なり、上記光束分割手段３及び撮像素子７ｂの働きにより、第一画像と第二画像とを、同時に取得できることから、特に、被写体や撮像装置が移動している場合においても、高速に距離の検出が可能であり、従って、特に、動画を撮像する撮像装置への採用に適している。
　次に、図１０～１３を用いて、本発明の第３実施例になる撮像装置、特に、その光学系の構成について説明する。なお、この第３実施例になる撮像装置の他の構成は、上記実施例１のそれと同様であり、ここではその説明は省略する。
　図１０は、第３実施例になる撮像装置の光学系１０の一例を示しており、当該図１０を用いながら、本実施例と第１実施例における光学系の差異について説明する。尚、本実施例においても、光学系以外のシステムについては、上記第一実施例と同様であり、その説明は省略する。
　本実施例では、その光学系において、上記第１実施例で説明した光学特性を持つ位相変調素子５と共に、更に、他の個別に設けられた円筒位相付加素子５０が搭載されている。この実施例になる撮像装置においても、第一状態では、上記第１実施例と同様に、光学系１０を透過する光束は、位相変調素子５により、位相の変調を受ける。そして、本実施例の第二状態では、光学系１０を透過する光束は、位相変調素子５により位相の変調を受けずに、上述の円筒位相付加素子５０による位相の変調を受ける。
　なお、上述した第一状態と第二状態の切り替えは、制御部２１からの制御信号による。切り替えの方式としては、位相変調素子５と円筒位相付加素子５０とをそれぞれ抜き差しするものであってよい。また、図示はしないが、位相変調素子５と円筒位相付加素子５０とは一体化され、その一方が光路中に挿入される、他方が光路外に出るように駆動される方式のものであってもよい。或いは、位相変調素子５と円筒位相付加素子５０とを同一の素子で構成すると共に、その構成の一部に液晶素子を備えており、当該液晶素子の液晶分子の向きを切り換えることにより、与える位相を切り換える方式であってもよい。
　円筒位相付加素子５０により光束に与えられる位相分布は、例えば、二次関数で表される。この二次関数の係数をβとしたとき、本実施例に係わる円筒位相付加素子５０により光束に与えられる位相分布は、上記図８におけるｘ、ｙを用いて表現すると、例えば、下記式２に従って表わされる。
　　ｆ（ｘ,ｙ)＝β（ｘ－ｙ）２・・・（式２）
　上記の円筒位相付加素子５０の効果により、即ち、第二状態の時には、点像は、例えば、図１１に示す様な形状となる。即ち、被写体が合焦距離にある時には、当該点像は最小錯乱円となる。一方、被写体が合焦距離より手前に離れている時には、当該点像は左下から右上の方向に長い楕円となり、他方、被写体が合焦距離より奥に離れている時には、当該点像は左上から右下の方向に長い楕円となる。この結果、当該第二状態での被写体の合焦ずれによるＯＴＦの変調度の低下度合いは、空間周波数の方向により異なるものとなり、具体的には、点像の楕円の短軸側に相当する方向のＯＴＦの変調度は、その低下が最も小さく、他方、点像の楕円の長軸側に相当する方向のＯＴＦの変調度は、その低下が最も大きい。
　この時のＯＴＦの変調度比の計算結果を、図１２に示す。即ち、この図１２では、２方向の空間周波数について、各被写体距離（最上段に示す被写体距離＝１０８ｍｍ、１４３ｍｍ、２１３ｍｍ、４２３ｍｍ、２０００ｍｍ）での空間周波数と、ＯＴＦの変調度比の関係を示している。ここでは、被写体距離＝２１３ｍｍを合焦距離と設定している。また、この時の計算条件は、焦点距離＝２．９ｍｍ、開口面積＝２．６１ｍｍ、三次関数係数＝８７である。
　また、図中に示すグラフのうち、上段に示すグラフは、左上から右下の対角方向（図の矢印を参照）における空間周波数に関するものであり、下段のグラフは、左下から右上の対角方向（図の矢印を参照）における空間周波数に関するものである。これらのグラフから、各被写体距離での空間周波数と変調度比の関係が、空間周波数の方向により異なるのが分かる。よって、上記実施例１でも説明した様に、補正後の第一画像、及び、第二画像の空間周波数の強度の比を計算した場合、空間周波数の強度比は、被写体が合焦距離より手前に離れている時と、奥に離れている時とで、互いに異なる結果になる。従って、上記実施例１で説明したと同様に、予め、上記変調度比情報格納部２７内に、被写体が合焦距離より手前に離れている時のＯＴＦの変調度比と、奥に離れている時のＯＴＦの変調度比の情報を格納しておき、これらと取得した画像の空間周波数の強度比の情報と比較することによれば、被写体が合焦距離より手前に離れているか、或いは、奥に離れているかの区別がでる。即ち、被写体の合焦距離からの離れ具合（距離）と共に、離れている方向の両者の情報を特定することができる。
　以上、本実施例３では、上記実施例１における第二状態を変更する（即ち、円筒位相付加素子５０の追加）ことにより、被写体の合焦距離からの距離と、その方向の両者の情報を特定する方法について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、例えば、図１３に示す様に、上記の実施例２における第二光束中に、上記の円筒位相付加素子５０を挿入する構成によっても、やはり同様の効果を実現することができる。
　以上に述べた詳細な説明からも明らかなように、本発明によれば、被写界の深度を拡大し、かつ、被写体の距離の検出が可能で、被写体の距離の誤検出の可能性は比較的少なく、更に、そのための撮影時間は比較的短く、必要とされるメモリは比較的小さく、解像度の低下はなく、比較的安価で、コンパクトなシステムで、検出精度は比較的高い撮像装置が提供される。
　更に、従来技術との比較のため、上述したように、原理的に、アーチファクトと被写体距離は一対一に対応する訳ではなく、被写体が、合焦距離から手前に離れている場合と、奥に離れている場合とで、同一のアーチファクトが発生すると述べたが、図１４は、かかる場合における被写体距離毎の点像のアーチファクトの計算結果を、一例として示したものである。なお、この計算では、被写体距離２１３ｍｍを合焦距離と設定し、焦点距離＝２．９、開口面積＝２．６１ｍｍ２、三次関数係数＝８７と設定している。
　また、原理的に、被写体像のずれと被写体距離は一対一に対応する訳ではなく、被写体が、合焦距離から手前に離れている場合と、奥に離れている場合とで、同一量、同一方向の被写体像の位置ずれ発生すると述べたが、図１５は、かかる場合における被写体距離毎の点像のアーチファクトの計算結果を、一例として示すものである。ここでも、被写体距離２１３ｍｍを合焦距離と設定し、焦点距離＝２．９、開口面積＝２．６１ｍｍ２、三次関数係数＝８７と設定している。
　以上のように、本実施形態は、本発明に係る距離測定の技術をＡＶカメラなどの撮像装置に適用することで、撮像装置に距離測定機能を持たせたものである。すなわち、撮像装置を距離測定装置として利用可能にしたものである。しかしながら、本発明は、撮像を目的としない距離測定装置としても利用可能であることは言うまでもない。
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するためにシステム全体を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。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、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　２…前玉レンズ群、３…光束分割手段、４…絞り、５…位相変調素子、６…後玉レンズ群、７…撮像素子、１０…光学系、２１…制御部、２２…画像生成部、２３…画像記憶部、２４…画像処理部、２５…補正用変数格納部、２６…距離検出部、２７…変調度比情報格納部、２８…出力部、３０…顕微鏡カメラでの出力画像、３１…観察対象物体、４０…車載カメラでの出力画像、４１…距離検出を行う小領域、４２…車両の像、５０…円筒位相付加素子、５１～５４…位相変調素子、１０１、１０２…撮像装置

Claims (12)

  1. 　被写体の光学像を結像する光学系と、
    　前記光学系により得られた被写体の光学像を信号に変換する撮像素子と、
    　前記撮像素子により得られた信号に所定の演算処理を施すことによって映像信号を得る画像処理部とを備えた撮像装置において、
    　前記光学系は、当該系内の光路の一部に配置され、前記被写体の合焦距離及びその前後の所定の距離において前記光学像のボケ量が一様となる様に設計された位相変調素子を有し、
    　前記画像処理部は、取得した信号を補正することにより像のボケをなくした復元画像を生成する変換部を有しており、更に、
    　前記画像処理部は、前記位相変調素子による位相の変調を行う状態である第一状態での像から変換された信号と、前記位相の変調を行わない状態である第二状態での像から変換された信号とを取得し、当該信号を用いて前記被写体の距離を検出することを特徴とする撮像装置。
  2. 　前記請求項１に記載の撮像装置において、前記画像処理部は、前記取得した信号のそれぞれから、第一状態での像の空間周波数分布と第二状態での像の空間周波数分布を演算し、当該第一状態での像の空間周波数分布と当該第二状態での像の空間周波数分布を比較演算することにより前記被写体の距離を検出することを特徴とする撮像装置。
  3. 　前記請求項１に記載の撮像装置において、前記位相変調素子は、当該位相変調素子による位相の変調を行う状態と、位相の変調を行わない状態とが切り替わる構成になっていることを特徴とする撮像装置。
  4. 　前記請求項１に記載の撮像装置において、前記位相変調素子は、複数の位相変調素子から構成されていることを特徴とする撮像装置。
  5. 　前記請求項１に記載の撮像装置において、前記位相変調素子は、位相変調のＯＮ／ＯＦＦが切り換え可能な素子から構成されていることを特徴とする撮像装置。
  6. 　前記請求項１に記載の撮像装置において、前記位相変調素子は、光学系の光軸を原点とする直交座標系での座標についての多項式で近似される位相差を物点からの光に与えるように設計されていることを特徴とする撮像装置。
  7. 　前記請求項５に記載の撮像装置において、前記位相変調素子は、光学系の光軸を原点とする直交座標系での座標についての３次の項を持つ多項式で近似される位相差を物点からの光に与えるように設計されていることを特徴とする撮像装置。
  8. 　前記請求項１に記載の撮像装置において、前記光学系は、更に、前記光路を分割する手段を備え、かつ、当該装置は、更に、分割された光路で得られた被写体の光学像を信号に変換する第２の撮像素子を備え、それぞれの光路により像が形成される構成になっており、前記位相の変調を行わない状態である第二状態での像から変換された信号を、前記第２の撮像素子から得ることを特徴とする撮像装置。
  9. 　前記請求項８に記載の撮像装置において、前記光学系は、更に、前記第２の撮像素子への光路の一部に円筒位相付加素子を備え、それぞれの光路により像が形成される構成になっていることを特徴とする撮像装置。
  10. 　前記請求項１に記載の撮像装置において、前記画像処理部は、予め、前記第一状態での像から取得した信号と、前記第二状態での像から取得した信号の比較演算結果を被写体の距離と対応付けて記憶手段を備えており、撮影により得られた前記第一状態での像から取得した信号と、前記第二状態での像から取得した信号の比較演算結果から、前記記憶手段に記憶している被写体の距離を特定することにより前記被写体の距離を検出する手段を有することを特徴とする撮像装置。
  11. 　前記請求項１に記載の撮像装置において、検出した被写体距離に応じて最適な補正用変数を選択し、前記第一状態の像から取得した信号を補正することを特徴とする撮像装置。
  12. 　距離測定装置において、
    　物体の光学像を取得するための撮像素子と、
    　前記光学像に所定の光学的な位相変調を与える位相変調素子と、
    　処理部と、を備え、
    　前記撮像素子は、前記位相変調素子で光学的な位相変調を与えられた第１の光学像と、前記位相変調が与えられない第１の光学像を取得し、
    　前記処理部は、前記撮像素子で取得された第１の光学像と第２の光学像とを用いて前記物体までの距離を演算する、　
    　ことを特徴とする距離測定装置。
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