JP7672838B2 - Imaging device - Google Patents
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Description
本発明は、撮像装置に関する。 The present invention relates to an imaging device.
従来、透過光の位相を変調させる波面変調素子を含む光学系と画像処理の組み合わせにより被写界深度を拡大する技術が提案されている。具体的には、波面変調素子により光束を規則的に分散させ、被写体距離の変化に対し光学系の光学伝達関数(OTF:Optical Transfer Function)を実質的に不変にする。そして、撮像素子等を介して得られた画像に対し復元処理を行うことで、被写界深度の深い画像を生成している。また、撮像素子は離散的に被写界の像をサンプリングするため、波面変調素子と撮像素子の回転位置の関係には任意性がある。 Conventionally, a technology has been proposed that extends the depth of field by combining an optical system including a wavefront modulation element that modulates the phase of transmitted light with image processing. Specifically, the wavefront modulation element distributes the light beam regularly, making the optical transfer function (OTF) of the optical system essentially unchanged with respect to changes in the subject distance. Then, an image with a deep depth of field is generated by performing restoration processing on the image obtained via an image sensor or the like. In addition, since the image sensor discretely samples the image of the subject field, the relationship between the rotational positions of the wavefront modulation element and the image sensor is arbitrary.
特許文献1には、回転非対称で頂部を有する点像強度分布(PSF:Point Spread Function)を形成する光学系を備えた撮像装置が開示されている。この撮像装置は、公差の緩い深度拡大光学系を実現するため、光学系と撮像素子の相対的な取り付け位置を、頂部から斜め側部の先端部が画素配列の斜め方向に沿うように設定している。 Patent document 1 discloses an imaging device equipped with an optical system that forms a rotationally asymmetric point spread function (PSF) with an apex. In order to realize a depth-extending optical system with loose tolerances, this imaging device sets the relative mounting positions of the optical system and the imaging element so that the tip of the diagonal side from the apex is aligned diagonally with the pixel array.
ところで、画像の画素数を撮像素子の画素数よりも増やす処理として、高画素化処理がある。高画素化処理の手法としては、画素ずらし(ピクセルシフト)画像を用いて高画素化する手法が知られている。高画素化のために画素ずらしを行う場合、サンプリングの二次元的なパターンは、撮像素子の画素配列のみならず、ずらし方にも基づいて決まる。しかし、特許文献1に開示された撮像装置は、画素ずらしの方法と撮像素子の取り付けとの関係を考慮していないため、画素ずらしによる高画素化を行った際に、良好な画質の画像を得ることができない。 By the way, pixel-enhancing processing is a process for increasing the number of pixels in an image beyond the number of pixels in the imaging element. A known method of pixel-enhancing processing is to use pixel-shifted images to achieve high pixel counts. When pixel-shifting is performed to achieve high pixel counts, the two-dimensional sampling pattern is determined based not only on the pixel arrangement of the imaging element, but also on the method of shifting. However, the imaging device disclosed in Patent Document 1 does not take into account the relationship between the pixel-shifting method and the installation of the imaging element, and therefore is unable to obtain an image of good quality when pixel-enhancing processing is performed using pixel-shifting.
そこで本発明は、深度拡大光学系を用いて高画質の画像を得ることが可能な撮像装置を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide an imaging device that can obtain high-quality images using a depth-expanding optical system.
本発明の一側面としての撮像装置は、光軸に対して非回転対称な波面変調素子を含む撮像光学系と、前記撮像光学系により形成された光学像を光電変換する撮像部と、を有し、前記撮像部は、第1の色に対応する第1の画像データと、第2の色に対応する第2の画像データを含む一つ以上のシフト画像データとを取得し、前記一つ以上のシフト画像データはそれぞれ、前記第1の画像データに対して前記撮像部の非整数画素分のシフト量だけ前記光学像をシフトさせた撮像により取得され、前記撮像光学系の変調伝達関数が最も大きい方向を第1の方向とし、前記一つ以上のシフト画像データのそれぞれの前記シフト量のうち最も少ないシフト量に対応するシフト方向を第2の方向とし、該第1の方向と該第2の方向とのなす角度をθ[°]とするとき、
30≦θ≦60
なる条件式を満たす。
An imaging device according to one aspect of the present invention includes an imaging optical system including a wavefront modulation element that is rotationally asymmetric with respect to an optical axis, and an imaging unit that photoelectrically converts an optical image formed by the imaging optical system, the imaging unit acquiring one or more shifted image data including first image data corresponding to a first color and second image data corresponding to a second color, the one or more shifted image data being acquired by imaging in which the optical image is shifted by a shift amount of a non-integer pixel of the imaging unit relative to the first image data, a direction in which a modulation transfer function of the imaging optical system is largest is defined as a first direction, a shift direction corresponding to the smallest shift amount among the shift amounts of the one or more shifted image data is defined as a second direction, and an angle between the first direction and the second direction is defined as θ [°],
30≦θ≦60
The conditional expression is satisfied .
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。 Other objects and features of the present invention are described in the following examples.
本発明によれば、深度拡大光学系を用いて高画質の画像を得ることが可能な撮像装置を提供することができる。 The present invention provides an imaging device that can obtain high-quality images using a depth-expanding optical system.
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。 The following describes in detail an embodiment of the present invention with reference to the drawings.
まず、実施例の具体的な説明を行う前に、本発明の要旨を説明する。本実施形態の撮像装置は、光軸に対して非回転対称な波面変調素子を用いた深度拡大光学系を撮像光学系として用いる。複数の色に対応する複数の撮像画像を取得し、画素ずらしによる高画素化処理を行う。また、光学系の光学特性に基づいた鮮鋭化処理(画像回復処理)を行う。以下、本実施形態の撮像装置の構成に関する説明に先立ち、本実施形態で用いられる種々の技術について述べる。 First, before describing the specific examples, the gist of the present invention will be described. The imaging device of this embodiment uses a depth-expanding optical system that uses a wavefront modulation element that is rotationally asymmetric with respect to the optical axis as the imaging optical system. A plurality of captured images corresponding to a plurality of colors are acquired, and pixel-high resolution processing is performed by pixel shifting. In addition, sharpening processing (image restoration processing) is performed based on the optical characteristics of the optical system. Below, before describing the configuration of the imaging device of this embodiment, various technologies used in this embodiment will be described.
[画像回復処理]
まず、画像回復処理の概要について説明する。撮影画像(劣化画像)をg(x,y)、もとの画像をf(x,y)、光学伝達関数OTFのフーリエペアである点像分布関数PSFをh(x,y)としたとき、以下の式(1)が成立する。
[Image restoration processing]
First, an overview of the image restoration process will be described. When a captured image (degraded image) is g(x, y), an original image is f(x, y), and a point spread function PSF, which is a Fourier pair of an optical transfer function OTF, is h(x, y), the following formula (1) is established.
g(x,y)=h(x,y)*f(x,y) … (1)
ここで、*はコンボリューション(畳み込み積分、積和)、(x,y)は撮影画像上の座標である。
g(x,y)=h(x,y)*f(x,y)...(1)
Here, * denotes convolution (convolution integral, product sum), and (x, y) are coordinates on the captured image.
また、式(1)をフーリエ変換して周波数面での表示形式に変換すると、周波数ごとの積で表される式(2)が得られる。 Furthermore, if equation (1) is Fourier transformed and converted to a frequency domain display format, equation (2), which is expressed as a product for each frequency, is obtained.
G(u,v)=H(u,v)・F(u,v) … (2)
ここで、Hは点像分布関数PSF(h)をフーリエ変換することにより得られた光学伝達関数OTFであり、G,Fはそれぞれ劣化した画像g、もとの画像fをフーリエ変換して得られた関数である。(u,v)は2次元周波数面での座標、すなわち周波数である。
G(u,v)=H(u,v)・F(u,v)...(2)
Here, H is the optical transfer function OTF obtained by Fourier transforming the point spread function PSF(h), G and F are functions obtained by Fourier transforming the degraded image g and the original image f, respectively, and (u, v) are coordinates on the two-dimensional frequency plane, i.e., frequency.
撮影された劣化画像gから元の画像fを得るには、以下の式(3)のように両辺を光学伝達関数Hで除算すればよい。 To obtain the original image f from the captured degraded image g, we simply divide both sides of the following equation (3) by the optical transfer function H.
G(u,v)/H(u,v)=F(u,v) … (3)
そして、F(u,v)、すなわちG(u,v)/H(u,v)を逆フーリエ変換して実面に戻すことにより、もとの画像f(x,y)が回復画像として得られる。
G(u,v)/H(u,v)=F(u,v)...(3)
Then, F(u,v), i.e., G(u,v)/H(u,v), is subjected to an inverse Fourier transform to return it to the real plane, thereby obtaining the original image f(x,y) as a restored image.
H-1を逆フーリエ変換したものをRとすると、以下の式(4)のように実面での画像に対するコンボリューション処理を行うことで、同様にもとの画像f(x,y)を得ることができる。 If the inverse Fourier transform of H −1 is taken as R, then the original image f(x, y) can be obtained by performing convolution processing on the image on the real surface as shown in the following equation (4).
g(x,y)*R(x,y)=f(x,y) … (4)
ここで、R(x,y)は画像回復フィルタと呼ばれる。画像が2次元画像である場合、一般的に、画像回復フィルタRも画像の各画素に対応したタップ(セル)を有する2次元フィルタとなる。また、画像回復フィルタRのタップ数(セルの数)は、一般的に多いほど回復精度が向上する。このため、要求画質、画像処理能力、収差の特性等に応じて実現可能なタップ数が設定される。画像回復フィルタRは、少なくとも収差の特性を反映している必要があるため、従来の水平垂直各3タップ程度のエッジ強調フィルタなどとは異なる。画像回復フィルタRは光学伝達関数OTFに基づいて設定されるため、振幅成分および位相成分の劣化の両方を高精度に補正することができる。
g(x,y)*R(x,y)=f(x,y)...(4)
Here, R(x, y) is called an image restoration filter. When the image is a two-dimensional image, the image restoration filter R is generally a two-dimensional filter having taps (cells) corresponding to each pixel of the image. In addition, the more the number of taps (cells) of the image restoration filter R, the higher the restoration accuracy. For this reason, a feasible number of taps is set according to the required image quality, image processing capability, aberration characteristics, and the like. The image restoration filter R must at least reflect the characteristics of aberration, and therefore is different from a conventional edge enhancement filter having about three taps each in the horizontal and vertical directions. The image restoration filter R is set based on the optical transfer function OTF, and therefore both the deterioration of the amplitude component and the phase component can be corrected with high accuracy.
また、実際の画像にはノイズ成分が含まれるため、上記のように光学伝達関数OTFの逆数をとって作成した画像回復フィルタRを用いると、劣化画像の回復とともにノイズ成分が大幅に増幅されてしまう。これは、画像の振幅成分にノイズの振幅が付加されている状態に対して、光学系の変調伝達関数MTF(振幅成分)を全周波数に渡って1に戻すようにMTFを持ち上げるためである。光学系による振幅劣化であるMTFは1に戻るが、同時にノイズのパワースペクトルも持ち上がってしまい、結果的にMTFを持ち上げる度合(回復ゲイン)に応じてノイズが増幅されてしまう。 Furthermore, because actual images contain noise components, if an image restoration filter R created by taking the inverse of the optical transfer function OTF as described above is used, the noise components will be significantly amplified while restoring the degraded image. This is because the MTF (amplitude component) of the optical system is raised to return it to 1 across all frequencies in a state where the amplitude of noise is added to the amplitude component of the image. The MTF, which is the amplitude degradation caused by the optical system, returns to 1, but at the same time the power spectrum of the noise is also raised, resulting in amplified noise according to the degree to which the MTF is raised (restoration gain).
したがって、ノイズが含まれる場合には、鑑賞用画像としては良好な画像は得られない。このことは、以下の式(5-1)、(5-2)で表される。
G(u,v)=H(u,v)・F(u,v)+N(u,v)…(5-1)
G(u,v)/H(u,v)=F(u,v)+N(u,v)/H(u,v)…(5-2)
ここで、Nはノイズ成分である。
Therefore, when noise is included, an image of good quality for viewing cannot be obtained. This is expressed by the following equations (5-1) and (5-2).
G(u,v)=H(u,v)・F(u,v)+N(u,v)...(5-1)
G(u,v)/H(u,v)=F(u,v)+N(u,v)/H(u,v)...(5-2)
Here, N is the noise component.
ノイズ成分が含まれる画像に関しては、例えば以下の式(6)で表されるウィナーフィルタのように、画像信号とノイズ信号の強度比SNRに応じて回復度合を制御する方法がある。 For images that contain noise components, there is a method for controlling the degree of restoration depending on the intensity ratio SNR of the image signal to the noise signal, such as the Wiener filter expressed by the following equation (6).
ここで、M(u,v)はウィナーフィルタの周波数特性、|H(u,v)|は光学伝達関数OTFの絶対値(変調伝達関数MTF)である。この方法では、周波数ごとに、MTFが小さいほど回復ゲイン(回復度合)を小さくし、MTFが大きいほど回復ゲインを大きくする。一般的に、撮像光学系のMTFは低周波側が高く高周波側が低くなるため、この方法では、実質的に画像の高周波側の回復ゲインを低減することになる。 Here, M(u,v) is the frequency characteristic of the Wiener filter, and |H(u,v)| is the absolute value of the optical transfer function OTF (modulation transfer function MTF). In this method, for each frequency, the smaller the MTF is, the smaller the restoration gain (degree of restoration) is, and the larger the MTF is, the larger the restoration gain is. Generally, the MTF of an imaging optical system is high on the low frequency side and low on the high frequency side, so this method essentially reduces the restoration gain on the high frequency side of the image.
続いて、図1および図2を参照して、画像回復フィルタについて説明する。図1および図2は、画像回復フィルタの説明図である。画像回復フィルタは、撮像光学系の収差特性や要求される回復精度に応じてそのタップ数が決定される。図1の画像回復フィルタは、一例として、11×11タップの2次元フィルタである。また図1では、各タップ内の値(係数)を省略しているが、この画像回復フィルタの一断面を図2に示す。画像回復フィルタの各タップの値(係数値)の分布は、収差により空間的に広がった信号値(PSF)を、理想的には元の1点に戻す機能を有する。 Next, the image restoration filter will be described with reference to Figs. 1 and 2. Figs. 1 and 2 are explanatory diagrams of the image restoration filter. The number of taps of the image restoration filter is determined according to the aberration characteristics of the imaging optical system and the required restoration accuracy. The image restoration filter of Fig. 1 is, as an example, a two-dimensional filter with 11 x 11 taps. In Fig. 1, the values (coefficients) in each tap are omitted, but a cross section of this image restoration filter is shown in Fig. 2. The distribution of the values (coefficient values) of each tap of the image restoration filter has the function of ideally returning the signal value (PSF) that has been spatially spread due to aberration to the original single point.
画像回復フィルタの各タップは、画像の各画素に対応して画像回復処理の工程でコンボリューション処理(畳み込み積分、積和)される。コンボリューション処理では、所定の画素の信号値を改善するために、その画素を画像回復フィルタの中心と一致させる。そして、画像と画像回復フィルタの対応画素ごとに画像の信号値とフィルタの係数値の積をとり、その総和を中心画素の信号値として置き換える。 Each tap of the image restoration filter is subjected to convolution processing (convolution integral, product-sum) in the image restoration process corresponding to each pixel of the image. In the convolution process, in order to improve the signal value of a specific pixel, the pixel is aligned with the center of the image restoration filter. Then, for each corresponding pixel in the image and image restoration filter, the product of the image's signal value and the filter's coefficient value is taken, and the sum of these products is replaced as the signal value of the central pixel.
続いて、図3および図4を参照して、画像回復の実空間と周波数空間での特性について説明する。図3は、点像分布関数PSFの説明図であり、図3(a)は画像回復前の点像分布関数PSF、図3(b)は画像回復後の点像分布関数PSFを示している。図4は、光学伝達関数OTFの振幅成分MTF(図4(M))と位相成分PTF(図4(P))の説明図である。図4(M)中の破線(a)は画像回復前のMTF、一点鎖線(b)は画像回復後のMTFを示す。また図4(P)中の破線(a)は画像回復前のPTF、一点鎖線(b)は画像回復後のPTFを示す。図3(a)に示されるように、画像回復前の点像分布関数PSFは、非対称な広がりを有し、この非対称性により位相成分PTFは周波数に対して非直線的な値を有する。画像回復処理は、振幅成分MTFを増幅し、位相成分PTFがゼロになるように補正するため、画像回復後の点像分布関数PSFは対称で先鋭な形状になる。
このように画像回復フィルタは、撮像光学系の光学伝達関数OTFの逆関数に基づいて設計された関数を逆フーリエ変換して得ることができる。各実施例の鮮鋭化フィルタとして用いることのできる画像回復フィルタは適宜変更可能であり、例えば上述のようなウィナーフィルタを用いることができる。ウィナーフィルタを用いる場合、式(6)を逆フーリエ変換することで、実際に画像に畳み込む実空間の画像回復フィルタを作成することが可能である。
Next, the characteristics of image restoration in real space and frequency space will be described with reference to Fig. 3 and Fig. 4. Fig. 3 is an explanatory diagram of the point spread function PSF, Fig. 3(a) shows the point spread function PSF before image restoration, and Fig. 3(b) shows the point spread function PSF after image restoration. Fig. 4 is an explanatory diagram of the amplitude component MTF (Fig. 4(M)) and phase component PTF (Fig. 4(P)) of the optical transfer function OTF. The dashed line (a) in Fig. 4(M) shows the MTF before image restoration, and the dashed line (b) shows the MTF after image restoration. The dashed line (a) in Fig. 4(P) shows the PTF before image restoration, and the dashed line (b) shows the PTF after image restoration. As shown in Fig. 3(a), the point spread function PSF before image restoration has an asymmetric spread, and due to this asymmetry, the phase component PTF has a nonlinear value with respect to frequency. In the image restoration process, the amplitude component MTF is amplified and the phase component PTF is corrected to zero, so that the point spread function PSF after image restoration has a symmetrical and sharp shape.
In this way, the image restoration filter can be obtained by performing an inverse Fourier transform on a function designed based on the inverse function of the optical transfer function OTF of the imaging optical system. The image restoration filter that can be used as the sharpening filter in each embodiment can be changed as appropriate, and for example, the Wiener filter described above can be used. When using a Wiener filter, it is possible to create a real-space image restoration filter that is actually convolved with the image by performing an inverse Fourier transform on Equation (6).
[被写界深度拡大]
各実施例では、光学系に深度方向の性能変動を鈍化させる波面変調素子(位相マスク)を挿入し、深度を拡大する手法(WFC:WaveFront Coding)を行う。波面変調素子は、光学系の光軸に対して垂直な面内で二次元的な分布を持った位相を与えるものであり、例えば、厚みや屈折率が面内で変化する光学素子や液晶空間位相変調素子などであり、光学系内の光学素子に非球面形状として与えてもよい。各実施例では、面形状が3次関数で表されるCubic Phase Maskを用いる。撮像素子に対して垂直な方向(光学系の光軸方向)をZ軸、Z軸に対して垂直で互いに直交する2軸をX軸、Y軸とすると、各実施例における波面変調素子の位相分布φは以下の式(7)のような奇関数形状で表すことができる。
[Extended depth of field]
In each embodiment, a wavefront modulation element (phase mask) that reduces the performance variation in the depth direction is inserted into the optical system, and a method (WFC: WaveFront Coding) is performed to expand the depth. The wavefront modulation element is one that gives a phase with a two-dimensional distribution in a plane perpendicular to the optical axis of the optical system, and is, for example, an optical element whose thickness or refractive index changes in the plane or a liquid crystal spatial phase modulation element, and may be given to an optical element in the optical system as an aspheric shape. In each embodiment, a cubic phase mask whose surface shape is expressed by a cubic function is used. If the direction perpendicular to the imaging element (the optical axis direction of the optical system) is the Z axis, and two axes perpendicular to the Z axis and perpendicular to each other are the X axis and the Y axis, the phase distribution φ of the wavefront modulation element in each embodiment can be expressed by an odd function shape such as the following formula (7).
φ=α(X3+Y3) … (7)
なお、ここでのX、Yは撮像画像や撮像素子のx、yとは必ずしも一致せず、以下では波面変調素子の軸方向(互いに直行する第1の軸および第2の軸)をそれぞれX、Yで表す。この位相分布を与えることで、深度方向の性能変動を鈍化させることができる。このように波面変調素子を用いて深度拡大した光学系を本実施形態では深度拡大光学系と呼ぶ。なお、深度拡大に用いる位相分布は上記に限らない。デフォーカスの変化に対するロバスト性やMTFの高周波側と低周波側のバランスが変化するため、必要となる被写界深度や周波数特性に応じて適宜選択すればよい。波面変調素子によって深度方向の光学性能の変動を小さくすることで、深度によらず同じ画像回復フィルタを用いて画像回復処理を適用することができる。また、光学系に位相マスクを挿入して深度方向の性能変動を鈍化させると、像高や物体距離等の撮影条件に対しても性能変動が鈍化する傾向にある。つまり、深度拡大光学系で像高に対する性能変動が十分に少ない場合には、像高や物体距離等の撮影条件に対して一律なOTFとして扱うことができ、一律の(一定の)画像回復フィルタを用いることができる。
φ=α( X3 + Y3 )...(7)
In addition, X and Y here do not necessarily coincide with x and y of the captured image or the imaging element, and hereinafter, the axial direction of the wavefront modulation element (the first axis and the second axis perpendicular to each other) is represented by X and Y, respectively. By providing this phase distribution, it is possible to slow down the performance fluctuation in the depth direction. In this embodiment, an optical system in which the depth is expanded using the wavefront modulation element is called a depth expansion optical system. In addition, the phase distribution used for depth expansion is not limited to the above. Since the robustness against the change in defocus and the balance between the high frequency side and the low frequency side of the MTF change, it is sufficient to select appropriately according to the required depth of field and frequency characteristics. By reducing the fluctuation of the optical performance in the depth direction by the wavefront modulation element, it is possible to apply the image restoration process using the same image restoration filter regardless of the depth. In addition, if a phase mask is inserted into the optical system to slow down the performance fluctuation in the depth direction, the performance fluctuation also tends to be slowed down with respect to the shooting conditions such as the image height and the object distance. In other words, if the performance variation with respect to image height in a depth-of-field optical system is sufficiently small, it can be treated as a uniform OTF for shooting conditions such as image height and object distance, and a uniform (fixed) image restoration filter can be used.
図5は、式(7)で表される波面変調素子を含む光学系のMTFの断面である。ここで光学系の収差は、波面変調素子によって付与される収差と比較して小さいとしている。図5において、横軸は空間周波数、Fは光学系のF値(絞り値)を表しており、実線はX軸方向、破線は対角(斜め45度)方向のMTFを表している。式(7)で表される波面変調素子を利用した場合、X軸方向とY軸方向は対称であるため、X軸方向とY軸方向の空間周波数に対するMTFは一致する。しかしながら、実線のMTFと破線のMTFを比較すると、破線のMTFは低周波側から高周波側までMTFが低く実線のMTFに対して大きな差がある。このように、一般的にはCubic Phase Maskを用いることで深度拡大できるとされているが、方向によってMTF特性が大きく異なる。 Figure 5 is a cross section of the MTF of an optical system including a wavefront modulation element represented by formula (7). Here, the aberration of the optical system is assumed to be small compared to the aberration imparted by the wavefront modulation element. In Figure 5, the horizontal axis represents the spatial frequency, F represents the F-number (aperture value) of the optical system, the solid line represents the MTF in the X-axis direction, and the dashed line represents the MTF in the diagonal (45 degree) direction. When the wavefront modulation element represented by formula (7) is used, the X-axis direction and the Y-axis direction are symmetrical, so the MTFs for the spatial frequencies in the X-axis direction and the Y-axis direction match. However, when comparing the MTF of the solid line with the MTF of the dashed line, the MTF of the dashed line is low from the low frequency side to the high frequency side, and there is a large difference from the MTF of the solid line. In this way, it is generally believed that the depth can be expanded by using a Cubic Phase Mask, but the MTF characteristics differ greatly depending on the direction.
[画素ずらし撮像と高画素化処理]
次に、高画素化処理の概要について説明する。高画素化処理では、撮影位置が異なる複数の撮影画像から高画素化画像を取得する。各実施例では、全画素が同じ波長域に対応した光を受光する単色の撮像素子を用いて、複数の色に対応する画像を含む画像データを取得する。また、画像データに含まれる少なくとも1つの画像は、画像データに含まれる基準画像に対して非整数画素だけシフトして撮像される。ここで「基準画像」とは、画像データに含まれる任意の画像を基準として選択すればよく、シフトの量および方向を定義するための基準とする。また、「シフトして撮像する」とは、撮像光学系によって結像された被写体の像がサンプリングされる位置を光軸に垂直な面内で平行移動して撮像することを指す。
[Pixel shift imaging and high pixel processing]
Next, an overview of the pixel-enhancing process will be described. In the pixel-enhancing process, a pixel-enhanced image is obtained from a plurality of captured images taken at different positions. In each embodiment, image data including images corresponding to a plurality of colors is obtained using a monochromatic image sensor in which all pixels receive light corresponding to the same wavelength range. In addition, at least one image included in the image data is captured by shifting it by a non-integer pixel with respect to a reference image included in the image data. Here, the "reference image" is an arbitrary image included in the image data that can be selected as a reference, and is a reference for defining the amount and direction of the shift. In addition, "imaging with a shift" refers to capturing an image by translating the position where the image of the subject formed by the imaging optical system is sampled in a plane perpendicular to the optical axis.
例えば、撮像光学系を通過した光をプリズムによって色ごとに分離して、分離された各光束に対応した複数の撮像素子を配置することで、複数の色に対応する画像を同時に取得することができる。各撮像素子はそれぞれの色に対応するため、それぞれ異なる波長に感度を持ってよい。例えばRGBの3つの光束に分離して取得することができる。分離する数は3つに限定されず、2つでも4つ以上でもよい。また、3つ以上の場合は同じ色に対応する画像を複数取得してもよい。そして、1つの撮像素子を異なる1つの撮像素子に対して相対的に非整数画素シフトして配置することで、非整数画素だけずれた位置で被写体の像をサンプリングできる。また、「撮像素子をシフトして配置する」とは、撮像光学系によって結像された被写体の像がサンプリングされる位置を光軸に垂直な面内で平行移動して撮像するよう撮像素子を配置することを指す。したがって、光束を分離して折り曲げた場合は光軸に垂直な面内でシフトすればよい。 For example, by separating light passing through the imaging optical system into colors using a prism and arranging multiple imaging elements corresponding to each separated light beam, images corresponding to multiple colors can be simultaneously obtained. Since each imaging element corresponds to a different color, it may have sensitivity to a different wavelength. For example, it can be separated into three light beams of RGB and obtained. The number of separations is not limited to three, and may be two or four or more. In addition, in the case of three or more, multiple images corresponding to the same color may be obtained. Then, by arranging one imaging element by shifting it by a non-integer pixel relative to another imaging element, it is possible to sample the image of the subject at a position shifted by a non-integer pixel. Also, "arranging the imaging element by shifting" refers to arranging the imaging element so that the position where the image of the subject formed by the imaging optical system is sampled is moved in parallel in a plane perpendicular to the optical axis and imaged. Therefore, when the light beam is separated and bent, it is sufficient to shift it in a plane perpendicular to the optical axis.
また、1つの撮像素子で複数回撮像してもよい。外光がない状態を仮定すると、被写体を照明する照明光の色を撮像に同期して変化させることで、複数回撮像したことで取得される画像は照明光に基づく異なる色にそれぞれ対応する。撮像素子を光軸に垂直な方向に駆動しながら撮像することで、複数の色に対応する画像が相対的にシフトされる。例えば、内視鏡装置などでは外光がないため、このような手法であってもよい。撮像素子を駆動する代わりに、光学系や光学系に含まれる一部のレンズ、あるいは撮像装置全体を動かすことで行ってもよい。 Also, imaging may be performed multiple times with a single image sensor. Assuming there is no external light, the color of the illumination light illuminating the subject is changed in synchronization with the imaging, so that the images acquired by imaging multiple times each correspond to a different color based on the illumination light. By imaging while driving the image sensor in a direction perpendicular to the optical axis, the images corresponding to the multiple colors are shifted relatively. For example, such a method may be used in an endoscope device, etc., which does not have external light. Instead of driving the image sensor, this may be done by moving the optical system, some of the lenses included in the optical system, or the entire imaging device.
なお、撮像光学系を通過した光を色ごとに分離して、分離された各光束に対応した複数の撮像素子を配置する手法がより好ましい。これにより駆動が不要となるため、1回の撮像で非整数画素だけシフトした複数の画像を取得することができる。このため、被写体ぶれの影響を抑制でき、動画として取得することも可能となる。後述する高画素化処理は動画の1フレームごとに静止画と同様に行えばよい。この撮像方法で撮像した画像から高画素化処理を行うことで、1つの撮像素子で取得できる解像感を超えた高画素化画像を取得できる。 A more preferable method is to separate the light that has passed through the imaging optical system by color and arrange multiple imaging elements corresponding to each separated light beam. This eliminates the need for driving, and multiple images that are shifted by non-integer pixels can be obtained in one imaging session. This makes it possible to suppress the effects of subject blurring and also allows the images to be captured as a video. The high pixel processing described below can be performed for each frame of the video in the same way as for still images. By performing high pixel processing on images captured using this imaging method, it is possible to obtain a high pixel image with a resolution that exceeds that which can be obtained with a single imaging element.
次に、図6を参照して、画素ずらしによる撮像と高画素化処理の例を示す。図6(A)は、相対的に非整数画素だけシフトされた撮像パターンの例である。ここでは、基準画像51、画像52、画像53の3つの画像を取得する。基準画像51と画像52はシフトがない同じ位置で撮像されている。一方、画像53は、基準画像51および画像52に対して、水平方向および垂直方向に半画素ずれて撮像される。例えば、RGBでそれぞれ異なる撮像素子を用いて撮像する際に、RおよびBの撮影位置に対してGの撮影位置を半画素ずらすことができる。すなわち、基準画像51、画像52、画像53がそれぞれR、B、Gに対応する。また、図6(B)に示されるように、基準画像51に対して相対的にシフトしていないGの画像を画像54として取得してもよい。それぞれ取得した画像データに含まれる複数の画像に基づいて、後述する高画素化処理を行い、撮像した各画像よりも画素数が多い高画素化画像55を取得することができる。 Next, referring to FIG. 6, an example of imaging and high-pixel processing by pixel shifting is shown. FIG. 6(A) is an example of an imaging pattern shifted by a non-integer pixel. Here, three images, a reference image 51, an image 52, and an image 53, are acquired. The reference image 51 and the image 52 are captured at the same position without shift. On the other hand, the image 53 is captured with a half-pixel shift in the horizontal and vertical directions with respect to the reference image 51 and the image 52. For example, when capturing images using different image sensors for RGB, the shooting position of G can be shifted by a half pixel with respect to the shooting positions of R and B. That is, the reference image 51, the image 52, and the image 53 correspond to R, B, and G, respectively. Also, as shown in FIG. 6(B), an image of G that is not shifted relatively to the reference image 51 may be acquired as an image 54. Based on the multiple images included in the acquired image data, a high-pixel processing to be described later is performed, and a high-pixel image 55 having a larger number of pixels than each captured image can be acquired.
次に、図7を参照して、画素ずらしによる撮像と高画素化処理の異なる例を示す。図7は、図6とは異なる撮像パターンで、相対的に非整数画素だけシフトされた撮像の例である。ここでは、撮影位置が互いに半画素ずらした状態で撮影を行うことで、高画素化処理に用いる4枚の撮影画像を取得する。4枚の撮影画像のそれぞれは、基準画像61(ずれなし)、水平方向に半画素ずれた画像62、対角方向に半画素ずれた画像63、垂直方向にずれた画像64である。画像63は、水平方向および垂直方向にそれぞれ半画素ずれた位置に等しい。4枚の撮影画像を取得することで、高画素化処理により画素数が4倍になった高画素化画像65を取得することができる。例えば4つの色に対応する異なる撮像素子を用いて撮像する際に、それぞれ撮影位置をずらすことで取得でき、基準画像61、画像62、画像63、画像64をそれぞれR、G、B、Y(黄色)に対応させる。また基準画像61と画像63の2つをG、画像62をR、画像64をBとしてもよい。 Next, referring to FIG. 7, a different example of imaging by pixel shifting and high pixel processing will be shown. FIG. 7 is an example of imaging in which the imaging pattern is different from that of FIG. 6 and the imaging is relatively shifted by a non-integer pixel. Here, four captured images to be used for high pixel processing are obtained by performing imaging with the shooting positions shifted from each other by half a pixel. The four captured images are a reference image 61 (no shift), an image 62 shifted by half a pixel in the horizontal direction, an image 63 shifted by half a pixel in the diagonal direction, and an image 64 shifted in the vertical direction. Image 63 is equivalent to a position shifted by half a pixel in the horizontal and vertical directions. By acquiring four captured images, a high pixel image 65 with four times the number of pixels due to high pixel processing can be acquired. For example, when capturing images using different imaging elements corresponding to four colors, the shooting positions can be shifted to acquire the images, and the reference image 61, image 62, image 63, and image 64 are made to correspond to R, G, B, and Y (yellow), respectively. Also, the reference images 61 and 63 may be G, image 62 may be R, and image 64 may be B.
図7に示される高画素化処理では、4枚の画像を被写体の像のサンプリング位置に従って配列するだけで高画素化処理を行うことができる。図6(A)における高画素化処理は、画像51(または画像52)と画像53に基づいて行う。図8は、高画素化処理の説明図である。図8の実線で示される白丸と破線で示される白丸をそれぞれ画像51および画像53のサンプリング位置とする。サンプリング位置は、例えば画素の中心位置とすればよい。この実線で示した白丸と破線で示した白丸を最近傍にあるもの同士で補間することで、黒丸の位置に相当する画像の輝度値を取得できる。取得された黒丸は、画像51および画像53に対して水平方向および垂直方向にそれぞれ2倍の高画素化がなされており、黒丸の位置に相当する輝度値を配列したものが高画素化画像55である。前述のように、各実施例の高画素化処理は複数の相対的にシフトされた画像に基づいて処理を行うため、被写体の像に対する実効的なサンプリングを増やしている。すなわち、単一画像からの補間による高画素化処理とは異なり、単一の画像に対応するナイキスト周波数や撮像素子のナイキスト周波数よりも高周波数まで解像する高画素化画像を生成する。ナイキスト周波数については詳細を後述する。 In the high pixel processing shown in FIG. 7, the high pixel processing can be performed simply by arranging four images according to the sampling positions of the image of the subject. The high pixel processing in FIG. 6(A) is performed based on image 51 (or image 52) and image 53. FIG. 8 is an explanatory diagram of the high pixel processing. The white circles shown by solid lines and the white circles shown by dashed lines in FIG. 8 are the sampling positions of image 51 and image 53, respectively. The sampling positions may be, for example, the center positions of the pixels. The luminance value of the image corresponding to the position of the black circle can be obtained by interpolating the white circles shown by solid lines and the white circles shown by dashed lines with the nearest neighbors. The obtained black circle is twice as high pixelated in the horizontal and vertical directions as image 51 and image 53, and the luminance values corresponding to the positions of the black circles are arranged to form a high pixel image 55. As described above, the high pixel processing in each embodiment is performed based on a plurality of relatively shifted images, so that the effective sampling of the image of the subject is increased. In other words, unlike pixel-enhancing processing that uses interpolation from a single image, this method generates a pixel-enhancing image that has resolution up to a higher frequency than the Nyquist frequency corresponding to the single image or the Nyquist frequency of the image sensor. The Nyquist frequency will be described in more detail later.
しかし各実施例では、非整数画素だけシフトした異なる色の画像に基づいて所定の色の高画素化画像を取得する高画素化処理を行う。高画素化処理において、それぞれ異なる色に対応する画像に基づくため、画素ピッチ(サンプリング周期)がより小さく高画素の撮像素子で撮像する場合とは異なる。そこで異なる色に対応する画像間の違いを低減して、所定の色の画像と所定の色とは異なる色の画像に基づくことで、前述の高画素化処理に基づいて所定の色の高画素化画像を生成する。被写体の彩度が低く白黒に近い場合、ホワイトバランスを取ることで異なる色に対応した画像間の違いを低減することができる。 However, in each embodiment, a pixel-enhancing process is performed to obtain a highly pixelated image of a specified color based on images of different colors shifted by a non-integer pixel. Since the pixel-enhancing process is based on images corresponding to different colors, it differs from the case of capturing images with a smaller pixel pitch (sampling period) and a high-pixel image sensor. Therefore, by reducing the difference between images corresponding to different colors and based on an image of a specified color and an image of a color different from the specified color, a highly pixelated image of the specified color is generated based on the pixel-enhancing process described above. When the subject has low saturation and is close to black and white, the difference between images corresponding to different colors can be reduced by adjusting the white balance.
一方、通常のカラー被写体では色同士の比率が異なるため、各色の画像内での輝度値の変化のみを取得することで、異なる色に対応した画像間の違いを低減することができる。これにより、各色の画像内での輝度値の変化のみを取得して、異なる色同士で補間することで高画素化画像に対応する高周波数までの輝度変化をサンプリングすることができる。高画素化処理は、相対的に非整数画素だけシフトされた色同士であれば行えるため、全ての色に対応した高画素化処理を行うことができる。例えば、RとGで高画素化処理を行えばRとGそれぞれの高画素化画像を取得でき、さらにBとGで高画素化処理を行えばBの高画素化画像を取得できる。また、RGB画像から輝度と色差信号に変換し、輝度信号に高画素化処理を行ってもよい。なお、高画素化処理やそれに用いる撮像画像のシフトのパターンは、前述に限定されるものではなく、他の手法を用いてもよい。 On the other hand, in a normal color subject, the ratio of colors is different, so by acquiring only the change in luminance value in the image of each color, the difference between images corresponding to different colors can be reduced. This allows only the change in luminance value in the image of each color to be acquired, and by interpolating between different colors, it is possible to sample luminance changes up to high frequencies corresponding to a highly pixelated image. Since the highly pixelated process can be performed on colors that are relatively shifted by a non-integer pixel, it is possible to perform the highly pixelated process corresponding to all colors. For example, by performing the highly pixelated process on R and G, highly pixelated images of R and G can be obtained, and further, by performing the highly pixelated process on B and G, a highly pixelated image of B can be obtained. In addition, the RGB image may be converted into luminance and color difference signals, and the highly pixelated process may be performed on the luminance signal. Note that the highly pixelated process and the shift pattern of the captured image used therefor are not limited to those described above, and other methods may be used.
[ナイキスト周波数]
次に、図9を参照して、画像のサンプリングとナイキスト周波数の関係について説明する。図9は、画素ずらしによる撮像と高画素化処理とによるナイキスト周波数の説明図である。画素ピッチp、すなわちサンプリング周期pで被写体の像をサンプリングした場合、サンプリング周波数はサンプリング周期の逆数1/pである。ナイキスト周波数は、サンプリング周波数の半分、すなわち1/2pである。標本化定理により、被写体をサンプリングした場合、ナイキスト周波数以下の被写体であれば正確に再現できる。画像は被写体の像を二次元でサンプリングしたものであるため、ナイキスト周波数も二次元で与えられる。
[Nyquist frequency]
Next, the relationship between image sampling and the Nyquist frequency will be described with reference to Fig. 9. Fig. 9 is an explanatory diagram of the Nyquist frequency resulting from imaging by pixel shifting and high pixel processing. When an image of a subject is sampled at a pixel pitch p, i.e., a sampling period p, the sampling frequency is the reciprocal of the sampling period, 1/p. The Nyquist frequency is half the sampling frequency, i.e., 1/2p. According to the sampling theorem, when an object is sampled, it can be accurately reproduced as long as the object has a frequency equal to or lower than the Nyquist frequency. Since an image is a two-dimensional sampling of an image of a subject, the Nyquist frequency is also given in two dimensions.
図9(A)の実線で示される白丸でサンプリングした場合のナイキスト周波数は、図9(B)の破線81である。図9(A)の破線で示される白丸でサンプリングした場合も、サンプリング位置はシフトしているが、二次元的な配置の周期や配列方向は変わらない。したがって、破線で示される白丸でサンプリングした場合のナイキスト周波数は、同様に図9(B)の破線81である。しかし、図9(A)の実線で示される白丸と破線で示される白丸の両方でサンプリングした場合のナイキスト周波数は、図9(B)の実線82となる。これは、図6に相当する高画素化処理を行った場合の高画素化画像におけるナイキスト周波数に相当する。一方、図9(C)の実線で示される白丸は図9(A)と変わらないが、破線で示される白丸は図7に対応し、図9(A)よりも多い。図9(C)の実線で示される白丸と破線で示される白丸の全てでサンプリングした場合のナイキスト周波数は、図9(D)の実線83となる。 The Nyquist frequency when sampling with the white circles shown by the solid lines in FIG. 9(A) is the dashed line 81 in FIG. 9(B). Even when sampling with the white circles shown by the dashed lines in FIG. 9(A), the sampling position shifts, but the period of the two-dimensional arrangement and the arrangement direction do not change. Therefore, the Nyquist frequency when sampling with the white circles shown by the dashed lines is similarly the dashed line 81 in FIG. 9(B). However, the Nyquist frequency when sampling with both the white circles shown by the solid lines in FIG. 9(A) and the white circles shown by the dashed lines in FIG. 9(A) is the solid line 82 in FIG. 9(B). This corresponds to the Nyquist frequency in a highly pixelated image when high-pixel processing equivalent to FIG. 6 is performed. On the other hand, the white circles shown by the solid lines in FIG. 9(C) are the same as those in FIG. 9(A), but the white circles shown by the dashed lines correspond to FIG. 7 and are more numerous than those in FIG. 9(A). The Nyquist frequency when sampling is performed on all the white circles indicated by the solid line in Figure 9 (C) and the white circles indicated by the dashed line is the solid line 83 in Figure 9 (D).
したがって、各実施例において用いる撮像素子の画素ピッチをpとすると、撮像された個々の画像のナイキスト周波数は、図9(B)の破線81である。しかし、前述のように異なる色の画像に基づいて所定の色の高画素化画像を生成すると、ナイキスト周波数が変化する。したがって、画像データに含まれる各画像と高画素化画像ではナイキスト周波数が等しいとは限らない。例えば、図9(A)、(B)の例においては、ナイキスト周波数が最も高くなる方向も対角方向からx方向およびy方向に変化する。以上、本実施形態における、画像回復処理、被写界深度拡大、画素ずらし撮像と高画素化処理、二次元のナイキスト周波数について説明した。 Therefore, if the pixel pitch of the imaging element used in each embodiment is p, the Nyquist frequency of each captured image is the dashed line 81 in FIG. 9(B). However, as described above, when a high-pixel image of a specific color is generated based on images of different colors, the Nyquist frequency changes. Therefore, the Nyquist frequency of each image included in the image data is not necessarily the same as that of the high-pixel image. For example, in the examples of FIGS. 9(A) and (B), the direction in which the Nyquist frequency is highest also changes from the diagonal direction to the x direction and y direction. The above describes the image restoration process, depth of field extension, pixel shift imaging and high-pixel processing, and two-dimensional Nyquist frequency in this embodiment.
次に、図10を参照して、各実施例における撮像装置の構成について説明する。図10は、撮像装置100のブロック図である。撮像装置100には、本実施形態の鮮鋭化処理(画像回復処理)を行うための画像処理プログラムがインストールされており、この鮮鋭化処理は撮像装置100の内部の画像処理部(画像処理装置)104により実行される。 Next, the configuration of the imaging device in each embodiment will be described with reference to FIG. 10. FIG. 10 is a block diagram of an imaging device 100. An image processing program for performing the sharpening process (image restoration process) of this embodiment is installed in the imaging device 100, and this sharpening process is executed by an image processing unit (image processing device) 104 inside the imaging device 100.
撮像装置100は、光学系(撮像光学系)101および撮像装置本体(カメラ本体)を備える。光学系101は、絞り101a、フォーカスレンズ101b、および波面変調素子101cを備え、カメラ本体と一体的に構成されている。ただし各実施例はこれに限定されるものではなく、光学系101がカメラ本体に対して着脱可能に装着される撮像装置にも適用可能である。また、光学系101はレンズなどの屈折面を有する光学素子の他、回折面を有する光学素子、反射面を有する光学素子を含んで構成されていても良い。 The imaging device 100 comprises an optical system (imaging optical system) 101 and an imaging device body (camera body). The optical system 101 comprises an aperture 101a, a focus lens 101b, and a wavefront modulation element 101c, and is configured integrally with the camera body. However, each embodiment is not limited to this, and can also be applied to an imaging device in which the optical system 101 is detachably attached to the camera body. Furthermore, the optical system 101 may be configured to include optical elements having refractive surfaces such as lenses, as well as optical elements having diffractive surfaces and optical elements having reflective surfaces.
波面変調素子101cは、光軸に対して非回転対称である。なお波面変調素子101cは、絞り101aの像側に隣接して配置されているが、これに限定されるものではなく、図10に示される位置とは異なる位置に配置されてもよい。撮像光学系は、撮像部102よりも物体側に配置された各光学素子により構成される。 The wavefront modulation element 101c is non-rotationally symmetric with respect to the optical axis. Note that the wavefront modulation element 101c is arranged adjacent to the image side of the aperture 101a, but is not limited to this and may be arranged at a position different from the position shown in FIG. 10. The imaging optical system is composed of each optical element arranged on the object side of the imaging unit 102.
撮像部102は、CCDやCMOSセンサなどの一つまたは複数の撮像素子を有し、光学系101により形成された被写体像(光学系101によって結像された光学像)を光電変換して撮影画像を生成する。すなわち、被写体像は、撮像部102による光電変換でアナログ信号(電気信号)に変換される。そして、このアナログ信号はA/Dコンバータ103によりデジタル信号に変換される。このデジタル信号は画像処理部104に入力される。 The imaging unit 102 has one or more imaging elements such as a CCD or CMOS sensor, and generates a captured image by photoelectrically converting the subject image (optical image formed by the optical system 101) formed by the optical system 101. That is, the subject image is converted into an analog signal (electrical signal) by photoelectric conversion by the imaging unit 102. This analog signal is then converted into a digital signal by the A/D converter 103. This digital signal is input to the image processing unit 104.
画像処理部104は、デジタル信号に対して所定の処理を行うとともに、本実施形態の鮮鋭化処理を行う。画像処理部104は、所定の処理と合わせて高画素化処理、画像回復処理を行う。 The image processing unit 104 performs a predetermined process on the digital signal, and also performs the sharpening process of this embodiment. In addition to the predetermined process, the image processing unit 104 also performs high pixel processing and image restoration processing.
鮮鋭化処理に必要なOTF、PSF等の光学特性データや回復フィルタ、またはそれらの生成に必要なデータは、記憶部(記憶手段)108に保持されている。記憶部108は、例えばROMで構成される。画像処理部104で処理された出力画像は、画像記録媒体109に所定のフォーマットで保存される。液晶モニタや有機ELディスプレイで構成された表示部105には、鮮鋭化処理を行った画像に表示用の所定の処理を行った画像が表示される。ただし、表示部105に表示する画像はこれに限定されるものではなく、高速表示のために簡易処理を行った画像を表示部105に表示するようにしてもよい。 Optical characteristic data such as OTF and PSF required for sharpening processing, recovery filters, or data required for generating them are stored in a memory unit (storage means) 108. The memory unit 108 is composed of, for example, a ROM. The output image processed by the image processing unit 104 is saved in a predetermined format in an image recording medium 109. An image obtained by performing predetermined processing for display on an image that has been subjected to sharpening processing is displayed on a display unit 105 composed of an LCD monitor or an organic EL display. However, the images displayed on the display unit 105 are not limited to this, and an image that has been subjected to simple processing for high-speed display may be displayed on the display unit 105.
システムコントローラ110は撮像装置100の制御を行う。光学系101の機械的な駆動はシステムコントローラ110の指示に基づいて光学系制御部106により行われる。光学系制御部106は、所定のFナンバーとなるように絞り101aの開口径を制御する。また、光学系制御部106は、被写体距離に応じてピント調整を行うため、不図示のオートフォーカス(AF)機構や手動のマニュアルフォーカス機構により、フォーカスレンズ101bの位置を制御する。なお、絞り101aの開口径制御やマニュアルフォーカスなどの機能は、撮像装置100の仕様に応じて実行しなくてもよい。 The system controller 110 controls the imaging device 100. The optical system 101 is mechanically driven by the optical system control unit 106 based on instructions from the system controller 110. The optical system control unit 106 controls the aperture diameter of the diaphragm 101a to obtain a predetermined F-number. The optical system control unit 106 also controls the position of the focus lens 101b using an autofocus (AF) mechanism or a manual focus mechanism (not shown) to adjust the focus according to the subject distance. Note that functions such as the aperture diameter control of the diaphragm 101a and manual focus do not have to be performed depending on the specifications of the imaging device 100.
なお、ローパスフィルタや赤外線カットフィルタ等の光学素子を光学系101と撮像部102との間に配置してもよいが、ローパスフィルタ等の光学特性に影響を与える素子を用いる場合、鮮鋭化フィルタを作成する時点での考慮が必要になる場合がある。赤外線カットフィルタに関しても、分光波長の点像強度分布関数(PSF)の積分値であるRGBチャンネルの各PSF、特にRチャンネルのPSFに影響するため、鮮鋭化フィルタを作成する時点での考慮が必要になる場合がある。したがって、ローパスフィルタや赤外線カットフィルタの有無に応じて鮮鋭化フィルタを変更しても良い。 Note that optical elements such as a low-pass filter or an infrared cut filter may be placed between the optical system 101 and the imaging unit 102, but when using an element that affects the optical characteristics such as a low-pass filter, consideration may be required when creating the sharpening filter. The infrared cut filter also affects each PSF of the RGB channels, which is the integral value of the point spread function (PSF) of the spectral wavelength, especially the PSF of the R channel, so consideration may be required when creating the sharpening filter. Therefore, the sharpening filter may be changed depending on the presence or absence of a low-pass filter or an infrared cut filter.
なお、画像処理部104はASICで構成され、光学系制御部106、状態検出部107、およびシステムコントローラ110はそれぞれ、CPUまたはMPUによって構成されている。また、これら画像処理部104、光学系制御部106、状態検出部107、およびシステムコントローラ110のうちの1つ以上を、同じCPUあるいはMPUで兼用して構成するようにしてもよい。 The image processing unit 104 is configured as an ASIC, and the optical system control unit 106, the state detection unit 107, and the system controller 110 are each configured as a CPU or an MPU. In addition, one or more of the image processing unit 104, the optical system control unit 106, the state detection unit 107, and the system controller 110 may be configured to share the same CPU or MPU.
[実施例1]
次に、本発明の実施例1について説明する。本実施例では、撮像光学系を通過した光をプリズムによってRGBに対応する3つの光束に分離し、それぞれに対応する撮像素子を配置する。撮像素子は全て同じ画素ピッチで正方格子状の画素配列であり、光軸周りの回転の向きがそろっている、すなわち3つの撮像素子の画素配列の方向は互いに等しい。ここで、「画素配列の方向」とは、最も画素中心の間隔が狭くなる方向であり、正方格子状の画素配列であれば水平方向および垂直方向である。そのため本実施例では、RGBの全てで二次元のナイキスト周波数が等しい。そして、Gに対応する撮像素子のみ、R、Bに対応する撮像素子に対して相対的に非整数画素シフトして配置する。ここでは、水平方向および垂直方向にそれぞれ半画素ずらすことで、対角方向にシフトする。このとき、撮像時のシフトのパターンは、図6(A)に相当する。これらの3つの撮像素子によって、それぞれRGBに対応する3枚の画像からなる画像データを取得する。また、波面変調素子は、式(7)に従う位相分布を有する。波面変調素子のX方向およびY方向は、画素配列方向(x方向およびy方向)と一致している。
[Example 1]
Next, a first embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, the light passing through the imaging optical system is separated into three light beams corresponding to RGB by a prism, and imaging elements corresponding to each of them are arranged. All of the imaging elements have a square lattice pixel arrangement with the same pixel pitch, and the rotation directions around the optical axis are the same, that is, the pixel arrangement directions of the three imaging elements are the same. Here, the "direction of pixel arrangement" refers to the direction in which the interval between pixel centers is narrowest, and in the case of a square lattice pixel arrangement, it is the horizontal direction and the vertical direction. Therefore, in this embodiment, the two-dimensional Nyquist frequency is equal for all of RGB. Then, only the imaging element corresponding to G is arranged by shifting it by a non-integer pixel relative to the imaging elements corresponding to R and B. Here, it is shifted in the diagonal direction by shifting it by half a pixel in the horizontal direction and the vertical direction, respectively. At this time, the shift pattern during imaging corresponds to FIG. 6(A). Image data consisting of three images corresponding to RGB, respectively, is obtained by these three imaging elements. In addition, the wavefront modulation element has a phase distribution according to formula (7). The X and Y directions of the wavefront modulation element coincide with the pixel array directions (x and y directions).
ここで、RGBそれぞれのナイキスト周波数は、図9(B)の破線81に相当する。この場合、RGBの各色に対応するナイキスト周波数の最も高い方向は、撮像素子の画素配列の格子における対角方向になる。一方、撮像光学系のMTFが最も大きい方向は、波面変調素子の光軸周りの方向で決まり、式(7)のX方向およびY方向となる。撮像光学系の性能を撮像素子で最大限活かすため、撮像光学系のMTFが最も大きい方向と撮像のナイキスト周波数が最も高い方向とは一致することが好ましい。しかし本実施例では、RGBの全ての色に対して高画素化処理を行い、高画素化画像のRGBそれぞれのナイキスト周波数は図9(B)の実線82に相当する。すなわち、撮像としてのナイキスト周波数(各画像におけるナイキスト周波数)は対角方向で最も大きいが、対角方向にシフトする異なる色の画像同士を用いて高画素化処理を行うことで、画像処理の前後でナイキスト周波数が最も高い方向が変化する。したがって、本実施例の撮像素子の配置と高画素化処理においては、画素配列方向(x方向およびy方向)と波面変調素子のX方向およびY方向が一致した配置とすることで、撮像光学系の性能を撮像素子で最大限活かしてより解像感の高い高画素化画像が得られる。 Here, the Nyquist frequency of each of RGB corresponds to the dashed line 81 in FIG. 9B. In this case, the direction with the highest Nyquist frequency corresponding to each color of RGB is the diagonal direction in the lattice of the pixel array of the image sensor. On the other hand, the direction with the largest MTF of the image sensor is determined by the direction around the optical axis of the wavefront modulation element, and is the X direction and Y direction in formula (7). In order to make the most of the performance of the image sensor, it is preferable that the direction with the largest MTF of the image sensor and the direction with the highest Nyquist frequency of the image coincide with each other. However, in this embodiment, high pixel processing is performed on all colors of RGB, and the Nyquist frequency of each of RGB of the high pixel image corresponds to the solid line 82 in FIG. 9B. That is, the Nyquist frequency as an image (the Nyquist frequency in each image) is the largest in the diagonal direction, but by performing high pixel processing using images of different colors that are shifted in the diagonal direction, the direction with the highest Nyquist frequency changes before and after image processing. Therefore, in the arrangement of the image sensor and the high pixel processing of this embodiment, by arranging the pixel array direction (x direction and y direction) and the X direction and Y direction of the wavefront modulation element to coincide, the performance of the imaging optical system can be maximized by the image sensor, resulting in a high pixel image with a higher resolution.
ここで本実施例ではRGBの画像を1枚ずつ撮像したが、図6(B)で説明したように、RおよびBの画像に対してシフトしていないGの画像をさらに撮像できる配置としてもよい。これは、Gに対応する光束をさらに分離して、分離した2つの光束に対して撮像素子を配置することで実現できる。したがって、画像データはRGGBの4枚の画像からなる。この場合、各画像のナイキスト周波数は変わらないが、Gに対しては図9(A)の実線で示した白丸と破線で示した白丸のそれぞれの位置でサンプリングすることになり、Gに対応するナイキスト周波数は図9(B)の実線82となる。このとき画像データに含まれるR、Bの画像とGの画像でナイキスト周波数が最も高い方向が異なり、波面変調素子の最適な方向が一意に定まらない。しかし、上記の高画素化処理を行うことでナイキスト周波数の最も高い方向が水平方向に一致するため、やはり画素配列方向と波面変調素子のX、Y方向が一致した配置とすればよい。Gだけ対角方向にシフトしたサンプリングを行って高画素化処理を行わない場合は、各色に対応するナイキスト周波数の最も高い方向が異なるため、画像データにおけるすべての色に対して波面変調素子の向きを最適にすることができない。しかし、異なる色を合成して高画素化処理を行うことで、高画素化画像のナイキスト周波数の最も高い方向はすべての色でそろえることができる。したがって、やはり画素配列方向(x方向、y方向)と波面変調素子のX方向、Y方向が一致した配置が最適である。 In this embodiment, the RGB images are captured one by one, but as described in FIG. 6B, the G image that is not shifted relative to the R and B images may be captured in an arrangement. This can be achieved by further separating the light beam corresponding to G and arranging an image pickup element for the two separated light beams. Therefore, the image data consists of four images of RGGB. In this case, the Nyquist frequency of each image does not change, but sampling is performed for G at the positions of the white circle shown by the solid line in FIG. 9A and the white circle shown by the dashed line, and the Nyquist frequency corresponding to G is the solid line 82 in FIG. 9B. In this case, the directions in which the Nyquist frequency is highest differ between the R, B images and the G image contained in the image data, and the optimal direction of the wavefront modulation element is not uniquely determined. However, by performing the above-mentioned high pixel processing, the direction in which the Nyquist frequency is highest coincides with the horizontal direction, so it is sufficient to arrange the pixel array direction and the X and Y directions of the wavefront modulation element to coincide with each other. If high pixel count processing is not performed by performing sampling shifted diagonally by G, the direction of the highest Nyquist frequency corresponding to each color will be different, and the orientation of the wavefront modulation element cannot be optimized for all colors in the image data. However, by combining different colors and performing high pixel count processing, the direction of the highest Nyquist frequency of the high pixel count image can be aligned for all colors. Therefore, the optimal arrangement is one in which the pixel array direction (x direction, y direction) and the X direction and Y direction of the wavefront modulation element are aligned.
ここで、「画素配列方向(x方向、y方向)と波面変調素子のX方向、Y方向が一致した配置」とは、撮像素子の対角方向であるシフト方向に対して、撮像光学系のMTFが最も大きい方向が45度の角度をなすように波面変調素子が配置されていることに相当する。なお、「撮像素子の対角方向」とは、撮像素子の画素配列の格子における対角方向を意味する。すなわち、撮像光学系のMTFが最も大きい方向(第1の方向)とシフト方向のうち最も短い方向(第2の方向)とのなす角度が略45度である。第1の方向と第2の方向とのなす角度を45度に近づけることで、撮像光学系の性能を活かすことができるが、厳密に45度に限定されるものではなく、略45度であればよい。例えば、この角度は30度以上かつ60度以下に設定される。より好ましくは、この角度は40度以上かつ50度以下に設定される。なお、撮像光学系のMTFが最も大きい方向(第1の方向)は、波面変調素子のX方向およびY方向の2つの方向(図9(A)、(C)中の矢印a、bで示される方向)であり、それぞれシフト方向(第2の方向(矢印cで示される方向))に対して45度である。 Here, "arrangement in which the pixel array direction (x direction, y direction) and the X direction and Y direction of the wavefront modulation element coincide" corresponds to an arrangement in which the wavefront modulation element is arranged so that the direction in which the MTF of the imaging optical system is the largest forms an angle of 45 degrees with respect to the shift direction, which is the diagonal direction of the imaging element. Note that "diagonal direction of the imaging element" means the diagonal direction in the lattice of the pixel array of the imaging element. In other words, the angle between the direction in which the MTF of the imaging optical system is the largest (first direction) and the shortest shift direction (second direction) is approximately 45 degrees. By bringing the angle between the first direction and the second direction closer to 45 degrees, the performance of the imaging optical system can be utilized, but it is not strictly limited to 45 degrees, and it is sufficient that it is approximately 45 degrees. For example, this angle is set to 30 degrees or more and 60 degrees or less. More preferably, this angle is set to 40 degrees or more and 50 degrees or less. The direction (first direction) in which the MTF of the imaging optical system is greatest is the two directions of the X and Y directions of the wavefront modulation element (directions indicated by arrows a and b in Figures 9(A) and (C)), each of which is at 45 degrees to the shift direction (second direction (direction indicated by arrow c)).
本実施例によれば、深度拡大光学系を用いた撮像時の画素ずらしによるシフトを考慮することで、より好ましい画質の画像を撮像可能な撮像装置を実現することができる。 According to this embodiment, by taking into account the shift caused by pixel shifting during image capture using a depth-expanding optical system, it is possible to realize an image capture device capable of capturing images with more preferable image quality.
[実施例2]
次に、本発明の実施例2について説明する。本実施例において、撮像素子をシフトするパターンが実施例1とは異なる。撮像光学系を通過した光をプリズムによってRGBY(Yは黄色)に対応する4つの光束に分離し、それぞれに対応する撮像素子を配置する。4つの撮像素子は全て同じ画素ピッチで正方格子状の画素配列であり、光軸周りの回転の向きがそろっている、すなわち画素配列の方向が等しい。そのため本実施例では、RGBYの全てで二次元のナイキスト周波数が等しい。そしてRの撮像素子で得られる画像を基準画像として、Gに対応する画像は水平方向に半画素シフトし、Yに対応する画像は垂直方向に半画素シフトし、Bに対応する画像は水平方向および垂直方向にそれぞれ半画素ずらした画像となるように撮像素子を配置する。このとき、撮像時のシフトのパターンは図7に相当する。これらの4つの撮像素子によって、それぞれRGBYに対応する4枚の画像からなる画像データを取得する。また、波面変調素子は式(7)に従う位相分布を有する。波面変調素子のX、Y方向は画素配列方向(x、y方向)と略45度の方向である。
[Example 2]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, the pattern of shifting the imaging element is different from that of the first embodiment. The light passing through the imaging optical system is separated into four light beams corresponding to RGBY (Y is yellow) by a prism, and the corresponding imaging element is arranged for each. All four imaging elements have the same pixel pitch and a square lattice pixel arrangement, and the rotation direction around the optical axis is the same, that is, the direction of the pixel arrangement is the same. Therefore, in this embodiment, the two-dimensional Nyquist frequency is the same for all RGBY. Then, the imaging elements are arranged so that the image obtained by the R imaging element is used as a reference image, the image corresponding to G is shifted by half a pixel in the horizontal direction, the image corresponding to Y is shifted by half a pixel in the vertical direction, and the image corresponding to B is shifted by half a pixel in the horizontal and vertical directions. At this time, the shift pattern during imaging corresponds to FIG. 7. These four imaging elements obtain image data consisting of four images corresponding to RGBY. In addition, the wavefront modulation element has a phase distribution according to formula (7). The X and Y directions of the wavefront modulation element are approximately 45 degrees to the pixel arrangement direction (x and y directions).
ここで、RGBYそれぞれのナイキスト周波数は、図9(C)の破線81に相当する。この場合、RGBYの各色に対応するナイキスト周波数の最も高い方向は、撮像素子の画素配列の格子における対角方向になる。一方、撮像光学系のMTFが最も大きい方向は、波面変調素子の光軸周りの方向で決まり、式(7)のX、Yを用いてY=Xで表される斜め(斜め45度)方向となる。撮像光学系の性能を撮像素子で最大限活かすため、撮像光学系のMTFが最も大きい方向と撮像のナイキスト周波数が最も高い方向とは一致することが好ましい。そして本実施例では、RGBYの全ての色に対して高画素化処理を行う。RGBYそれぞれのナイキスト周波数は、図9(D)の実線83に相当する。すなわち、撮像としてのナイキスト周波数(画像データに含まれる各画像におけるナイキスト周波数)は、対角方向で最も大きい。また、対角方向にシフトする異なる色の画像同士を用いて高画素化処理を行うことで、画像処理の前後でナイキスト周波数が最も高い方向も一致する。したがって、本実施例の撮像素子の配置と高画素化処理にて、画素配列方向(x方向、y方向)と波面変調素子のY=X(斜め45度)方向とが一致した配置とすることで、撮像光学系の性能を撮像素子で最大限活かしてより解像感の高い高画素化画像が得られる。 Here, the Nyquist frequency of each of RGBY corresponds to the dashed line 81 in FIG. 9C. In this case, the direction with the highest Nyquist frequency corresponding to each color of RGBY is the diagonal direction in the lattice of the pixel array of the image sensor. On the other hand, the direction with the highest MTF of the image sensor is determined by the direction around the optical axis of the wavefront modulation element, and is the diagonal (45 degree diagonal) direction expressed by Y=X using X and Y in equation (7). In order to make the most of the performance of the image sensor, it is preferable that the direction with the highest MTF of the image sensor and the direction with the highest Nyquist frequency of the image coincide with each other. In this embodiment, high pixel processing is performed for all colors of RGBY. The Nyquist frequency of each of RGBY corresponds to the solid line 83 in FIG. 9D. That is, the Nyquist frequency as an image (the Nyquist frequency in each image included in the image data) is the highest in the diagonal direction. In addition, by performing high pixel processing using images of different colors that are shifted in the diagonal direction, the direction with the highest Nyquist frequency before and after the image processing also coincides. Therefore, in the arrangement of the image sensor and the high pixel processing of this embodiment, by arranging the pixel array direction (x direction, y direction) and the Y=X (45 degree diagonal) direction of the wavefront modulation element to coincide, the performance of the imaging optical system can be maximized by the image sensor, resulting in a high pixel image with a higher resolution.
実施例1と比較すると、同じ撮像素子の向きであっても、高画素化処理に用いる撮像画像を取得する際のシフト方向によって、高画素化画像のナイキスト周波数が最も大きくなる方向が変わることがわかる。本実施例では基準画像に対して3種類のシフトが存在するが、最も短いシフト方向である水平または垂直方向に対して波面変調素子の向きを設定すればよい。最もシフト量が小さい、すなわち短いシフト方向に対して、斜め方向のサンプリングが最も細かくなる。そこで、最も短いシフト方向に対して撮像光学系のMTFが最も大きい方向を略45度とすることで、撮像光学系の性能を撮像素子で最大限活かしてより解像感の高い高画素化画像が得られる。 Compared with Example 1, it can be seen that even if the orientation of the imaging element is the same, the direction in which the Nyquist frequency of the highly pixelated image is greatest changes depending on the shift direction when acquiring the captured image used in the high pixelization process. In this example, there are three types of shift with respect to the reference image, and the orientation of the wavefront modulation element can be set with respect to the shortest shift direction, that is, the horizontal or vertical direction. For the smallest shift amount, i.e., the shortest shift direction, the diagonal sampling is the finest. Therefore, by setting the direction in which the MTF of the imaging optical system is greatest with respect to the shortest shift direction to approximately 45 degrees, the imaging element can make the most of the performance of the imaging optical system to obtain a highly pixelated image with a higher sense of resolution.
なお、撮像光学系のMTFが最も大きい方向(第1の方向)は、波面変調素子のX方向およびY方向の2つの方向(図9(C)中の矢印a、bで示される方向)であり、それぞれシフト方向(第2の方向(矢印c、dで示される方向))に対して45度である。 The direction (first direction) in which the MTF of the imaging optical system is greatest is the two directions of the X and Y directions of the wavefront modulation element (directions indicated by arrows a and b in FIG. 9C), each of which is at 45 degrees to the shift direction (second direction (directions indicated by arrows c and d)).
また、撮像した画像データに含まれる各画像のサンプリング周期はすべて等しいことが好ましい。サンプリング周期が異なると、画像の局所領域ごとにみたシフト方向が変化し、高画素化画像のナイキスト周波数の最も大きい方向も変化する。サンプリング周期が等しいことで、シフト方向を一意に定めることができ、撮像光学系のMTFが最も大きい方向と前記シフトのうち最も短いシフトの方向とを略45度にする配置によって画像全域で最適な解像感を得ることができる。 It is also preferable that the sampling periods of all images contained in the captured image data are equal. If the sampling periods are different, the shift direction in each local region of the image will change, and the direction in which the Nyquist frequency of the highly pixelated image is greatest will also change. By making the sampling periods equal, the shift direction can be uniquely determined, and by arranging the direction in which the MTF of the imaging optical system is greatest and the direction of the shortest shift among the shifts at approximately 45 degrees, an optimal sense of resolution can be obtained across the entire image.
また、画像データに含まれる各色に対応するナイキスト周波数の最も高い方向はすべて等しいことが好ましい。ナイキスト周波数の最も高い方向が各色で等しいことで、高画素化画像のナイキスト周波数が最も高い方向がすべての色で等しくなる。したがって、撮像光学系のMTFが最も大きい方向と前記シフトのうち最も短いシフトの方向とを略45度にする配置がすべての色に対して最適とすることができる。 It is also preferable that the directions of the highest Nyquist frequencies corresponding to the colors included in the image data are all the same. By making the directions of the highest Nyquist frequencies the same for each color, the directions of the highest Nyquist frequencies of the highly pixelated image become the same for all colors. Therefore, an arrangement in which the direction of the largest MTF of the imaging optical system and the direction of the shortest shift among the shifts are at approximately 45 degrees can be optimal for all colors.
また、取得した画像データのうち相対的にシフトして撮像された画像を用いて出力画像を取得するモードと、シフトして撮像された画像を用いず前記出力画像を取得するモードを有していてもよい。この場合、前者では高画素化処理を行うが、後者では高画素化処理を行わない。実施例1のシフトパターンによる撮像では前者と後者で撮像光学系のMTFが最も大きい方向が異なる。したがって、モードによって波面変調素子の方向を決定することが好ましい。この場合、波面変調素子が駆動してもよいし、ユーザに波面変調素子の方向を変えるように指示を出してもよい。 The system may also have a mode in which an output image is obtained using an image captured with a relative shift from among the acquired image data, and a mode in which the output image is obtained without using an image captured with a shift. In this case, high pixel processing is performed in the former mode, but not in the latter mode. In imaging using the shift pattern of Example 1, the direction in which the MTF of the imaging optical system is largest differs between the former and latter modes. Therefore, it is preferable to determine the direction of the wavefront modulation element depending on the mode. In this case, the wavefront modulation element may be driven, or an instruction may be given to the user to change the direction of the wavefront modulation element.
また、波面変調素子と前記撮像部とは着脱可能であってもよい。複数の撮像素子をシフトして配置した撮像部を用いる場合、撮像部によってシフトのパターンが異なる。したがって、撮像部に応じて波面変調素子の方向を変えることで、それぞれの撮像部が撮像光学系の光学性能を活かせるような配置にすることができる。特に撮像素子をシフトしない撮像部で取得される撮像画像と、画素配列の格子における対角方向にのみ撮像素子がシフトする撮像部で取得された高画素化画像はナイキスト周波数の最も大きい方向が異なる。したがって、これらをともに装着できる撮像光学系においては、撮像部によって波面変調素子の方向を決定することが好ましい。この場合、波面変調素子が駆動してもよいし、ユーザに波面変調素子の方向を変えるように指示を出してもよい。 The wavefront modulation element and the imaging unit may be detachable. When an imaging unit in which multiple imaging elements are shifted and arranged is used, the shift pattern differs depending on the imaging unit. Therefore, by changing the direction of the wavefront modulation element depending on the imaging unit, each imaging unit can be arranged to make the most of the optical performance of the imaging optical system. In particular, an image captured by an imaging unit that does not shift the imaging element and a highly pixelated image captured by an imaging unit in which the imaging element is shifted only in the diagonal direction of the pixel array lattice have different directions in which the Nyquist frequency is greatest. Therefore, in an imaging optical system in which both of these can be attached, it is preferable to determine the direction of the wavefront modulation element by the imaging unit. In this case, the wavefront modulation element may be driven, or an instruction may be given to the user to change the direction of the wavefront modulation element.
なお各実施例において、撮像装置から、撮像装置とは別に設けられた画像処理装置に入力画像を出力し、該画像処理装置にて画像処理を行ってもよい。また、各実施例における画像回復処理や高画素化処理は、単一の画像処理装置で行われる必要はない。例えば、各実施例における処理の一部または全部を実現するためのプログラムを、ネットワークまたは記録媒体を介して1または複数のシステムあるいは装置に供給し、そのシステムあるいは装置にプログラムを実行させてもよい。 In each embodiment, an input image may be output from the imaging device to an image processing device provided separately from the imaging device, and image processing may be performed by the image processing device. Furthermore, the image restoration processing and high pixel processing in each embodiment do not have to be performed by a single image processing device. For example, a program for realizing part or all of the processing in each embodiment may be supplied to one or more systems or devices via a network or recording medium, and the program may be executed by the system or device.
以上のように、各実施例において、撮像装置100は、光軸に対して非回転対称な波面変調素子101cを含む撮像光学系(光学系101)と、撮像光学系により形成された光学像を光電変換する撮像部102とを有する。撮像部は、第1の撮像で第1の色に対応する第1の画像データを取得し、第2の撮像で第2の色に対応する第2の画像データを取得する(撮像ごとに取得される単色に対応する画像を複数取得することで複数の色に対応する画像データを取得する)。第2の画像データは、第1の画像データに対して撮像部の非整数画素だけシフトして撮像された画像データである(画像データのうち少なくとも1つの画像は、画像データのうち基準となる基準画像に対して非整数画素だけシフトして撮像される)。また、撮像光学系の変調伝達関数MTFが最も大きい第1の方向と、シフト方向のうち最も短い第2の方向とのなす角度は、30度~60度(略45度)である。 As described above, in each embodiment, the imaging device 100 has an imaging optical system (optical system 101) including a wavefront modulation element 101c that is rotationally asymmetric with respect to the optical axis, and an imaging unit 102 that photoelectrically converts an optical image formed by the imaging optical system. The imaging unit acquires first image data corresponding to a first color in the first imaging, and acquires second image data corresponding to a second color in the second imaging (image data corresponding to multiple colors is acquired by acquiring multiple images corresponding to a single color acquired for each imaging). The second image data is image data that is imaged by shifting the first image data by a non-integer pixel of the imaging unit (at least one image of the image data is imaged by shifting the image by a non-integer pixel with respect to a reference image that serves as a reference among the image data). In addition, the angle between the first direction in which the modulation transfer function MTF of the imaging optical system is largest and the second direction, which is the shortest among the shift directions, is 30 degrees to 60 degrees (approximately 45 degrees).
好ましくは、第2の方向は、撮像部の画素配列方向(x方向およびy方向)とは異なる。また好ましくは、第1の画像データと第2の画像データのサンプリング周期(画素ピッチ)は互いに等しい。また好ましくは、第1の画像データと第2の画像データにおけるナイキスト周波数の最も高い方向は互いに等しい。また好ましくは、第1の方向と、撮像部の少なくとも一つの撮像素子に対応するナイキスト周波数が最も高い方向は、互いに異なる。また好ましくは、第1の方向と、第1の色または第2の色の少なくとも一つに対応するナイキスト周波数が最も高い方向は、互いに異なる。また好ましくは、第1の色はRまたはBであり、第2の色は、Gである。 Preferably, the second direction is different from the pixel array direction (x direction and y direction) of the imaging unit. Also preferably, the sampling periods (pixel pitch) of the first image data and the second image data are equal to each other. Also preferably, the directions of the highest Nyquist frequencies in the first image data and the second image data are equal to each other. Also preferably, the first direction and the direction of the highest Nyquist frequency corresponding to at least one image sensor of the imaging unit are different from each other. Also preferably, the first direction and the direction of the highest Nyquist frequency corresponding to at least one of the first color or the second color are different from each other. Also preferably, the first color is R or B, and the second color is G.
好ましくは、撮像装置は、第1の画像データと第2の画像データとを用いて高画素化画像を生成する画像処理部104を有する。より好ましくは、画像処理部は、第1の画像データと第2の画像データとを用いて画像回復処理を行う。また好ましくは、画像処理部は出力画像を生成するモードを有する。モードは、第1の画像データおよび第2の画像データの両方を用いて出力画像を生成する第1のモードと、第1の画像データまたは第2の画像データの一方を用いて出力画像を生成する第2のモードとを含む。より好ましくは、波面変調素子の方向は、モードに基づいて決定される。 Preferably, the imaging device has an image processing unit 104 that generates a high-pixel image using the first image data and the second image data. More preferably, the image processing unit performs image restoration processing using the first image data and the second image data. Also preferably, the image processing unit has a mode for generating an output image. The modes include a first mode for generating an output image using both the first image data and the second image data, and a second mode for generating an output image using either the first image data or the second image data. More preferably, the direction of the wavefront modulation element is determined based on the mode.
好ましくは、波面変調素子は、互いに直交する第1の軸および第2の軸に関して等しく波面を変調し、第1の軸および第2の軸のそれぞれに沿って奇関数形状を有する。なお奇関数形状は、例えば式(7)で表される形状であるが、これに限定されるものではない
好ましくは、撮像光学系と撮像部とは着脱可能である。このとき、例えば、相対的にシフトされた画像を含む画像データを取得しない撮像部に撮像光学系を装着する場合には、相対的にシフトされた画像を含む画像データを取得する撮像部に装着する場合とは波面変調素子の方向を異なるように配置する。また好ましくは、撮像部は、第1の色に対応する光を受光する第1の撮像素子と、第2の色に対応する光を受光する第2の撮像素子とを有する。このとき、例えば第2の撮像素子は、第1の撮像素子に対して、被写体の像を画素配列の非整数画素だけ異なる位置で取得するように配置される。または、好ましくは、撮像部は、第1の色に対応する光および第2の色に対応する光の両方を受光する1つの撮像素子を有する。
Preferably, the wavefront modulation element modulates the wavefront equally with respect to a first axis and a second axis that are orthogonal to each other, and has an odd function shape along each of the first axis and the second axis. The odd function shape is, for example, a shape expressed by Equation (7), but is not limited thereto. Preferably, the imaging optical system and the imaging unit are detachable. At this time, for example, when the imaging optical system is attached to an imaging unit that does not acquire image data including a relatively shifted image, the wavefront modulation element is arranged in a different direction from when it is attached to an imaging unit that acquires image data including a relatively shifted image. Also preferably, the imaging unit has a first imaging element that receives light corresponding to a first color and a second imaging element that receives light corresponding to a second color. At this time, for example, the second imaging element is arranged so as to acquire an image of the subject at a position that differs by a non-integer pixel of the pixel array from the first imaging element. Alternatively, preferably, the imaging unit has one imaging element that receives both light corresponding to the first color and light corresponding to the second color.
各実施例によれば、深度拡大光学系を用いて高画質の画像を得ることが可能な撮像装置を提供することができる。 According to each embodiment, it is possible to provide an imaging device capable of obtaining high-quality images using a depth-expanding optical system.
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。 The above describes preferred embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and variations are possible within the scope of the gist of the invention.
100 撮像装置
101 撮像光学系
101c 波面変調素子
102 撮像部
100 Imaging device 101 Imaging optical system 101c Wavefront modulation element 102 Imaging section
Claims (15)
前記撮像光学系により形成された光学像を光電変換する撮像部と、を有し、
前記撮像部は、第1の色に対応する第1の画像データと、第2の色に対応する第2の画像データを含む一つ以上のシフト画像データとを取得し、
前記一つ以上のシフト画像データはそれぞれ、前記第1の画像データに対して前記撮像部の非整数画素分のシフト量だけ前記光学像をシフトさせた撮像により取得され、
前記撮像光学系の変調伝達関数が最も大きい方向を第1の方向とし、前記一つ以上のシフト画像データのそれぞれの前記シフト量のうち最も少ないシフト量に対応するシフト方向を第2の方向とし、該第1の方向と該第2の方向とのなす角度をθ[°]とするとき、
30≦θ≦60
なる条件式を満たすことを特徴とする撮像装置。 an imaging optical system including a wavefront modulation element that is rotationally asymmetric with respect to an optical axis;
an imaging unit that photoelectrically converts an optical image formed by the imaging optical system,
The imaging unit acquires first image data corresponding to a first color and one or more shifted image data including second image data corresponding to a second color;
the one or more shifted image data are each acquired by imaging in which the optical image is shifted by a shift amount of a non-integer pixel of the imaging unit with respect to the first image data,
A direction in which the modulation transfer function of the imaging optical system is the largest is defined as a first direction, a shift direction corresponding to the smallest shift amount among the shift amounts of each of the one or more shift image data is defined as a second direction, and an angle between the first direction and the second direction is defined as θ [°].
30≦θ≦60
An imaging apparatus characterized in that the following condition is satisfied .
前記第2の色は、Gであることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の撮像装置。 the first color is R or B;
7. The imaging device according to claim 1, wherein the second color is G.
前記モードは、
前記第1の画像データおよび前記第2の画像データを用いて前記出力画像を生成する第1のモードと、
前記第1の画像データまたは前記第2の画像データの一方を用いて前記出力画像を生成する第2のモードとを含むことを特徴とすることを特徴とする請求項8または9に記載の撮像装置。 the image processor has a mode for generating an output image;
The mode is
a first mode for generating the output image using the first image data and the second image data ;
10. The imaging apparatus according to claim 8, further comprising a second mode in which the output image is generated using one of the first image data and the second image data.
前記第1の色に対応する光を受光する第1の撮像素子と、
前記第2の色に対応する光を受光する第2の撮像素子とを有することを特徴とする請求項1乃至13のいずれか一項に記載の撮像装置。 The imaging unit includes:
a first image sensor that receives light corresponding to the first color;
14. The imaging device according to claim 1, further comprising a second imaging element that receives light corresponding to the second color.
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