JP2011114722A - Imaging apparatus, and electronic device - Google Patents
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Abstract
【課題】光学系を簡単化でき、コスト低減を図ることができることはもとより、絞り径を変化させても深度拡張機能の低下を防止することが可能な撮像装置および電子機器を提供する。
【解決手段】可変絞り214、収差を意図的に発生させる収差制御機能を有する収差制御光学系210、撮像素子220、および1次画像を高精細な最終画像に形成する画像処理装置240を含み、収差制御光学系210の収差特性は、光軸を中心に回転対象な特性を有し、可変絞り214も口径を変化させても光軸中心で略円形の形状を形成するように構成され、可変絞り214の口径にかかわらず、当該口径内で球面収差の屈折率における変曲点を少なくとも一つ有する。
【選択図】図4Provided are an imaging apparatus and an electronic apparatus that can simplify an optical system and can reduce costs, and can prevent a decrease in depth expansion function even when a diaphragm diameter is changed.
A variable stop 214, an aberration control optical system 210 having an aberration control function for intentionally generating aberration, an image sensor 220, and an image processing device 240 for forming a primary image into a high-definition final image, The aberration characteristic of the aberration control optical system 210 has a characteristic to be rotated around the optical axis, and the variable diaphragm 214 is also configured to form a substantially circular shape at the optical axis center even when the aperture is changed. Regardless of the aperture of the aperture 214, the aperture has at least one inflection point in the refractive index of spherical aberration within the aperture.
[Selection] Figure 4
Description
本発明は、撮像素子を用い、光学系を備えた撮像装置および電子機器に関するものである。 The present invention relates to an imaging apparatus and an electronic apparatus that include an imaging device and includes an optical system.
近年急峻に発展を遂げている情報のデジタル化に相俟って映像分野においてもその対応が著しい。
特に、デジタルカメラに象徴されるように撮像面は従来のフィルムに代わって固体撮像素子であるCCD(Charge Coupled Device),CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサが使用されているのが大半である。
In response to the digitization of information, which has been rapidly developing in recent years, the response in the video field is also remarkable.
In particular, as symbolized by a digital camera, a CCD (Charge Coupled Device) or CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sensor, which is a solid-state imaging device, is used for the imaging surface in place of a conventional film.
このように、撮像素子にCCDやCMOSセンサを使った撮像レンズ装置は、被写体の映像を光学系により光学的に取り込んで、撮像素子により電気信号として抽出するものであり、デジタルスチルカメラの他、ビデオカメラ、デジタルビデオユニット、パーソナルコンピュータ、携帯電話機、携帯情報端末(PDA:Personal DigitalAssistant)、画像検査装置、自動制御用産業カメラ等に用いられている。 As described above, an imaging lens device using a CCD or CMOS sensor as an imaging element is for taking an image of a subject optically by an optical system and extracting it as an electrical signal by the imaging element. In addition to a digital still camera, It is used in video cameras, digital video units, personal computers, mobile phones, personal digital assistants (PDAs), image inspection devices, industrial cameras for automatic control, and the like.
図25は、一般的な撮像レンズ装置の構成および光束状態を模式的に示す図である。
この撮像レンズ装置1は、光学系2とCCDやCMOSセンサ等の撮像素子3とを有する。
光学系は、物体側レンズ21,22、絞り23、および結像レンズ24を物体側(OBJS)から撮像素子3側に向かって順に配置されている。
FIG. 25 is a diagram schematically illustrating a configuration and a light flux state of a general imaging lens device.
The
In the optical system, the
撮像レンズ装置1においては、図25に示すように、ベストフォーカス面を撮像素子面上に合致させている。
図26(A)〜(C)は、撮像レンズ装置1の撮像素子3の受光面でのスポット像を示している。
In the
FIGS. 26A to 26C show spot images on the light receiving surface of the
また、位相板により光束を規則的に分散し、デジタル処理により復元させ被写界深度の深い画像撮影を可能にする等の撮像装置が提案されている(たとえば非特許文献1,2、特許文献1〜5参照)。
In addition, imaging devices have been proposed in which light beams are regularly dispersed by a phase plate and restored by digital processing to enable imaging with a deep depth of field (for example,
上述した各文献にて提案された撮像装置において、通常光学系に上述の位相板を挿入した場合のOTFが物体距離に対してほぼ一定になっていることが前提であり、コントラストが通常の光学系よりも劣化する。
たとえば、コードリーダのようなセンシングカメラの用途において、このようなコントラストの劣化は、読取り率の劣化等を引き起こす。
また、コントラストが必要なカメラ、たとえば、デジタルカメラや携帯端末用カメラにおいては、劣化したコントラストを向上させるためにコンボリューション等の画像処理を加えることにより、ノイズを増大させてしまう。
しかしながら、位相板を用いた光学設計ではこのコントラストの劣化を抑えることは困難である。
In the imaging devices proposed in the above-mentioned documents, it is assumed that the OTF when the above-described phase plate is inserted into a normal optical system is almost constant with respect to the object distance, and the contrast is normal optical. It deteriorates more than the system.
For example, in the application of a sensing camera such as a code reader, such a deterioration in contrast causes a deterioration in reading rate.
In addition, in a camera that requires contrast, such as a digital camera or a portable terminal camera, noise is increased by applying image processing such as convolution to improve the deteriorated contrast.
However, it is difficult to suppress the deterioration of contrast in optical design using a phase plate.
また、深度拡張光学系において、収差制御素子は、光学系の絞り近傍に配置されて、深度拡張作用を及ぼしている。
ここで、明るさが変化する環境で使用しようとした場合、絞り固定の光学系では、撮像素子や信号処理系が持つ信号コントロールで対応することになるが、大きな光量変化に対しては追従範囲が限られるという欠点がある。
In the depth extension optical system, the aberration control element is disposed in the vicinity of the stop of the optical system and exerts a depth extension action.
Here, when trying to use in an environment where the brightness changes, in the optical system with a fixed aperture, it will be handled by the signal control of the image sensor and signal processing system. Has the disadvantage of being limited.
そこで、従来の光学系ではレンズを通して取り込む光量を機構的に制御するシステムが組み込まれていることが多い。
その多くは、メカニカルに稼動する遮光を目的とした羽が開閉することで光量を調節している。
Therefore, a conventional optical system often incorporates a system that mechanically controls the amount of light taken through the lens.
In many cases, the amount of light is adjusted by opening and closing wings that are mechanically operated to block light.
しかし、上記方法を、深度拡張光学系に対し適用した場合、絞りが可変することによる絞り形状の変化に深度拡張機能が依存するため、深度拡張作用は失われる、もしくは効率が著しく落ちるという不利益がある。 However, when the above method is applied to a depth extension optical system, the depth extension function depends on the change of the aperture shape due to the variable aperture, so that the depth extension function is lost or the efficiency is significantly reduced. There is.
本発明は、絞り径を変化させても深度拡張機能の低下を防止することが可能な撮像装置および電子機器を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an imaging apparatus and an electronic apparatus that can prevent the depth expansion function from being lowered even if the aperture diameter is changed.
本発明の第1の観点の撮像装置は、球面収差を発生させる収差制御機能を有する収差制御部を含む収差制御光学系と、光軸を中心とした略円形の口径を形成して前記収差制御光学系を通過する光束を制限し、当該口径を可変とする可変絞りと、前記収差制御光学系および前記可変絞りを通過した被写体像を撮像する撮像素子と、を有し、前記収差制御部は、発生する前記収差が光軸を中心に回転対称で、前記球面収差の変曲点を少なくとも一つ有する。 An image pickup apparatus according to a first aspect of the present invention includes an aberration control optical system including an aberration control unit having an aberration control function for generating spherical aberration, and a substantially circular aperture centered on the optical axis to form the aberration control. A variable aperture that restricts the light beam passing through the optical system and makes the aperture variable; and the aberration control optical system and an image sensor that captures a subject image that has passed through the variable aperture, and the aberration control unit includes: The generated aberration is rotationally symmetric about the optical axis and has at least one inflection point of the spherical aberration.
本発明の第2の観点の電子機器は、撮像装置を有し、前記撮像装置は、球面収差を発生させる収差制御機能を有する収差制御部を含む収差制御光学系と、光軸を中心とした略円形の口径を形成して前記収差制御光学系を通過する光束を制限し、当該口径を可変とする可変絞りと、前記収差制御光学系および前記可変絞りを通過した被写体像を撮像する撮像素子と、を有し、前記収差制御部は、発生する前記収差が光軸を中心に回転対称で、前記球面収差の変曲点を少なくとも一つ有する。 An electronic apparatus according to a second aspect of the present invention includes an imaging device, and the imaging device is centered on an optical axis and an aberration control optical system including an aberration control unit having an aberration control function for generating spherical aberration. A variable aperture that forms a substantially circular aperture and restricts a light beam passing through the aberration control optical system, and the aperture is variable. The aberration control section has at least one inflection point of the spherical aberration, and the generated aberration is rotationally symmetric about the optical axis.
本発明によれば、光学系を簡単化でき、絞り径を変化させても深度拡張機能の低下を防止することができる。 According to the present invention, it is possible to simplify the optical system, and it is possible to prevent the depth extension function from being lowered even if the aperture diameter is changed.
以下、本発明の実施形態を添付図面に関連付けて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の実施形態に係る電子機器としての情報コード読取装置の一例を示す外観図である。
図2(A)〜(C)は、情報コードの例を示す図である。
図3は、図1の情報コード読取装置に適用可能な撮像装置の構成例を示すブロックである。
なおここでは、本実施形態の撮像装置が適用可能な装置として、情報コード読取装置を例示している。
FIG. 1 is an external view showing an example of an information code reader as an electronic apparatus according to an embodiment of the present invention.
2A to 2C are diagrams illustrating examples of information codes.
FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration example of an imaging apparatus applicable to the information code reading apparatus of FIG.
Here, an information code reader is illustrated as an apparatus to which the imaging apparatus of the present embodiment is applicable.
本実施形態に係る情報コード読取装置100は、図1に示すように、本体110がケーブル111を介して図示しない電子レジスタ等の処理装置と接続され、たとえば読み取り対象物120に印刷された反射率の異なるシンボル、コード等の情報コード121を読み取り可能な装置である。
読み取り対象の情報コードとしては、たとえば図2(A)に示すような、JANコードのような1次元のバーコード122と、図2(B)および(C)に示すようなスタック式のCODE49、あるいはマトリックス方式のQRコードのような2次元のバーコード123が挙げられる。
As shown in FIG. 1, the
As an information code to be read, for example, a one-
本実施形態に係る情報コード読取装置100は、本体110内に、図示しない照明光源と、図3に示すような撮像装置200とが配置されている。
撮像装置200は、後で詳述するように、光学系に収差制御面、または収差制御素子を適用し、収差制御素子により収差(本実施形態においては球面収差)を意図的に発生させ、焦点深度拡張機能を有している。
かつ、撮像装置200は、可変絞りを有し、収差制御光学系は光軸を中心に回転対象な特性を有し、可変絞りも口径を変化させても光軸中心で略円形の形状を形成するように構成された収差制御光学系システムというシステムを採用し、JANコードのような1次元のバーコードとQRコードのような2次元のバーコードのような情報コードを的確に高精度で読み取ることが可能に構成されている。
In the information
As will be described in detail later, the
In addition, the
また、撮像装置200は、上記構成に加えて、ディフォーカスに対する変調伝達関数(MTF:Modulation Transfer Function)において、収差制御機能が深度拡張を発現するためには、絞り径が変化してもその開口径内に変曲点を少なくとも一つ有する収差制御光学系システムというシステムを採用し、JANコードのような1次元のバーコードとQRコードのような2次元のバーコードのような情報コードを的確に高精度で読み取ることが可能に構成されている。
撮像装置200は、任意の周波数の主像面シフト領域で1つあるいは2つ以上のピークを持たせることで、MTFピーク値の低下を抑えつつ深度拡張を可能にする収差制御光学系システムを採用し、JANコードのような1次元のバーコードとQRコードのような2次元のバーコードのような情報コードを的確に高精度で読み取ることが可能に構成されている。
In addition to the above-described configuration, the
The
情報コード読取装置100の撮像装置200は、図3に示すように、収差制御光学系210、撮像素子220、アナログフロントエンド部(AFE)230、画像処理装置240、カメラ信号処理部250、画像表示メモリ260、画像モニタリング装置270、操作部280、および制御装置290を有している。
As shown in FIG. 3, the
図4は、本実施形態に係る可変絞りを含む収差制御光学系を形成する撮像レンズユニットの基本構成を示す図である。 FIG. 4 is a diagram showing a basic configuration of an imaging lens unit that forms an aberration control optical system including a variable stop according to the present embodiment.
収差制御光学系210Aは、被写体物体OBJを撮影した像を撮像素子220に供給する。
また、収差制御光学系210Aは、物体側から順に、第1レンズ211、第2レンズ212、第3レンズ213、可変絞り214、第4レンズ215、第5レンズ216が配置されている。
本実施形態の収差制御光学系210Aは、第4レンズ215と第5レンズ216が接続されている。すなわち、本実施形態の収差制御光学系210Aのレンズユニットは、接合レンズを含んで構成されている。
The aberration control
In the aberration control
In the aberration control
そして、本実施形態の収差制御光学系210Aは、収差を意図的に発生させる収差制御機能を有する収差制御部としての収差制御面を適用した光学系として構成されている。
本実施形態においては、球面収差のみを発生させるために、収差制御面を挿入する必要がある。なお、収差制御効果は別素子の収差制御素子を挿入しても良い。
その例を示すと図4のようになり、通常の光学系に収差制御面(第3レンズR2面)を含んだ形となっている。
ここでいう収差制御面とは、収差制御素子の持つ収差制御効果をレンズ面に内包したものをいう。好適には収差制御面213aは可変絞り214に隣接していることが好ましい。
The aberration control
In this embodiment, it is necessary to insert an aberration control surface in order to generate only spherical aberration. As an aberration control effect, an aberration control element as a separate element may be inserted.
An example of this is shown in FIG. 4 and includes a normal optical system including an aberration control surface (third lens R2 surface).
The aberration control surface here refers to a lens surface that includes the aberration control effect of the aberration control element. The
本実施形態の収差制御光学系210Aの収差特性は、可変絞り214の口径が変化しても焦点深度拡張効果(機能)を有する。
本実施形態の収差制御光学系210Aにおいては、収差制御機能部は、発生する球面収差が光軸を中心に回転対称で、球面収差の変曲点を少なくとも一つ有する。
換言すると、収差制御面あるいは収差制御素子により形成される収差制御機能部は、可変絞り214の口径にかかわらず、その口径内で球面収差の変曲点を有する。
可変絞り214としては、複数枚の羽を有し、それらの羽を可動とすることにより口径を可変させるアイリス絞り、あるいは、たとえば液晶素子(液晶デバイス)により形成される。
後述するように、液晶デバイスにより形成される可変絞りは、透過部分と遮光部分と変化させて口径を可変させる。
The aberration characteristics of the aberration control
In the aberration control
In other words, the aberration control function unit formed by the aberration control surface or the aberration control element has an inflection point of spherical aberration within the aperture regardless of the aperture of the
The
As will be described later, the variable aperture formed by the liquid crystal device changes the aperture by changing the transmission portion and the light shielding portion.
このように、本実施形態においては、収差制御光学系210Aは光軸を中心に回転対象な特性を有し、可変絞り214も口径を変化させても光軸中心で略円形の形状を形成するようにする構成される。その理由は以下の通りである。
PSFは絞りの形状が変われば、その分布も変化する。よって光軸を中心に回転対象
な収差制御特性によって得られるPSFをもとに設計された復元フィルタは、絞りの形状が変化すれば、その復元機能を有効に発揮できなくなるおそれがある。
また、収差制御機能が深度拡張を発現するためには、絞り径が変化してもその開口径内に変曲点を少なくとも一つ有する必要がある。
そのため、本実施形態では、収差制御光学系210Aは、基本的に、光軸を中心に回転対象な特性、かつ可変絞りのいずれの開口径においても変曲点を有し、可変絞り214はいずれの開口径においても光軸を中心に略円形の形状を有するように構成される。
As described above, in this embodiment, the aberration control
The distribution of the PSF changes as the shape of the diaphragm changes. Therefore, the restoration filter designed based on the PSF obtained by the aberration control characteristics to be rotated around the optical axis may not be able to effectively exhibit the restoration function if the shape of the diaphragm changes.
In order for the aberration control function to exhibit depth expansion, it is necessary to have at least one inflection point in the aperture diameter even if the aperture diameter changes.
Therefore, in this embodiment, the aberration control
ここで、収差制御光学系210Aは、可変絞り214の口径を変化させることで複数のF値が選択可能であり、選択可能なF値のいずれにおいても、収差制御素子または収差制御面の効果により深度拡張を行うことが可能である。
本実施形態の収差制御光学系210Aの収差特性は、可変絞り214の有効径内に少なくとも1つ(1つまたは複数)の変曲点を有する。
さらに、本実施形態の収差制御光学系210Aの収差特性は、可変絞り214が開放の口径の場合に光線が通過する領域から収差制御機能による焦点深度拡張効果を有する最小の絞り径の場合に光線が通過する領域を除く領域で一つ以上の変曲点を有する。
換言すると、本実施形態の収差制御光学系210Aの収差特性は、深度拡張作用を期待されるF値の中で、最も明るいF値の時に光線が通過する収差制御面の領域と最も暗いF値の時に光線が通過する収差制御面の領域の間で、ひとつ以上の変曲点を有する。
Here, the aberration control
The aberration characteristic of the aberration control
Further, the aberration characteristic of the aberration control
In other words, the aberration characteristics of the aberration control
本実施形態の収差制御光学系210Aにおいては、収差制御機能を有する収差制御面を内包する収差制御光学系を用いてPSFを2画素以上にまたがるようにし、所定の周波数において偽解像しない主像面シフト領域でディフォーカスに対するMTF特性が2つ以上のピークを持つ深度拡張光学系として構成される。
一般的な光波面変調機能を用いた深度拡張光学系ではMTF特性において1つのピークの裾野を広げて深度を拡張するが、これではそれと引き換えにMTF特性のピーク値が下がってしまう。
本実施形態においては、収差制御機能を用いてピークを複数持つようにすることで、ピーク値の低下を抑えつつ深度拡張を実現できる。
球面収差を適切に制御することで画像復元処理を施さなくても深度拡張することができる。
具体的には、本実施形態の収差制御光学系210Aは、主に球面収差を発生させる収差制御素子、または収差制御面によりディフォーカスに対するMTFのピークを複数に分ける(ここでは2分する)ことでアウトフォーカスにおけるOTFの変化を制御でき、深度を拡張することができる。そして、ピークを分割させるために、球面収差に変曲点を持たせる。
In the aberration control
In a depth extension optical system using a general optical wavefront modulation function, the base of one peak is expanded in the MTF characteristics to expand the depth. In exchange for this, the peak value of the MTF characteristics decreases.
In the present embodiment, by having a plurality of peaks using the aberration control function, depth extension can be realized while suppressing a decrease in peak value.
By appropriately controlling the spherical aberration, it is possible to extend the depth without performing image restoration processing.
Specifically, the aberration control
上述したように、球面収差に1つ以上、好適には2つ以上の変曲点を適切に持たせることで複数の絞り口径の選択に対し、深度拡張を実現することができる。
そして、上述したように、深度拡張作用を期待されるF値の中で、最も明るいF値の時に光線が通過する収差制御面の領域と最も暗いF値の時に光線が通過する収差制御面の領域の間で、ひとつ以上の変曲点を有することが望ましい。
この構成を採用することにより、F値を変化させた場合でも効率よく深度拡張作用を得られる。
As described above, depth expansion can be realized for selection of a plurality of apertures by appropriately providing one or more, preferably two or more inflection points in the spherical aberration.
As described above, among the F values expected to have a depth expansion effect, the region of the aberration control surface through which the light beam passes at the brightest F value and the aberration control surface through which the light beam passes at the darkest F value. It is desirable to have one or more inflection points between regions.
By adopting this configuration, even when the F value is changed, it is possible to efficiently obtain the depth extending action.
ここで、可変絞り214の具体的な構成例について説明する。
図5(A)および(B)は、本実施形態に係る開放時および半開放時において開放部を円形状に保持可能な6枚のアイリス可変絞りの構成例を示す図である。
図5(A)が開放時を示し、図5(B)が半開放時を示している。
図6(A)および(B)は、比較例として半開放時において開放部を円形状に保持できない2枚のアイリス可変絞りの構成例を示す図である。
図6(A)が開放時を示し、図6(B)が半開放時を示している。
Here, a specific configuration example of the
FIGS. 5A and 5B are diagrams showing a configuration example of six iris variable diaphragms that can hold the open portion in a circular shape when opened and half-opened according to the present embodiment.
FIG. 5A shows the open state, and FIG. 5B shows the half-opened state.
FIGS. 6A and 6B are diagrams showing a configuration example of two iris variable diaphragms that cannot hold the open portion in a circular shape when half open, as a comparative example.
FIG. 6A shows the opened state, and FIG. 6B shows the half opened state.
本実施形態に係りアイリス可変絞り214Aは、6枚のアイリス羽214−1〜214−6を有する。
各アイリス羽214−1〜214−6は、図示しない駆動制御系の制御の下、それぞれ回転軸AX1〜AX6を中心に回転可能に構成されている。
そして、各アイリス羽214−1〜214−6の回転範囲は、アイリス羽214−1〜214−6の長孔に挿入されたピンBS1〜BS6の移動範囲が各長孔HL1〜HL6により規制される範囲である。
これにより、図5(A)の開放時の状態と、最小絞りの状態との間で、その口径が連続的もしくは、段階的に可変される。
According to this embodiment, the iris
Each of the iris feathers 214-1 to 214-6 is configured to be rotatable around the rotation axes AX <b> 1 to AX <b> 6 under the control of a drive control system (not shown).
The rotational range of each of the iris wings 214-1 to 214-6 is restricted by the movement of the pins BS <b> 1 to BS <b> 6 inserted into the long holes of the iris wings 214-1 to 214-6 by the long holes HL <b> 1 to HL <b> 6. It is a range.
Thereby, the aperture is continuously or stepwise changed between the open state and the minimum aperture state in FIG.
比較例として図6(A)および(B)に示す可変絞り214Bは、2枚の羽214−7,214−8を有している。
この比較例は、開放状態から絞っていくと、その絞り形状が三角形にすぼまっていくタイプの可変絞りである。
As a comparative example, a
This comparative example is a type of variable diaphragm that narrows into a triangular shape when the diaphragm is squeezed from the open state.
図7(A)および(B)は、本実施形態に係るアイリス可変絞りによるPSFのイメージ図である。
図7(A)は図5(A)の絞り状態におけるPSFを、図7(B)は図5(B)の絞り状態におけるPSFをそれぞれ示している。
図8(A)および(B)は、比較例の可変絞りによるPSFのイメージ図である。
図8(A)は図6(A)の絞り状態におけるPSFを、図8(B)は図6(B)の絞り状態におけるPSFをそれぞれ示している。
7A and 7B are image diagrams of PSFs with the iris variable aperture according to the present embodiment.
7A shows the PSF in the aperture state of FIG. 5A, and FIG. 7B shows the PSF in the aperture state of FIG. 5B.
8A and 8B are image diagrams of PSFs with a variable aperture according to a comparative example.
8A shows the PSF in the aperture state of FIG. 6A, and FIG. 8B shows the PSF in the aperture state of FIG. 6B.
比較例の可変絞りにおいて、開放状態ではPSFが円形となるが、半開放状態では、絞りで三角形に光線がカットされる。そのため絞り近傍の収差制御面を通る光線も必然的にカットされることになる。
結果として、深度拡張作用を有していた光線は、主光線に対し不均一にカットされる。
すなわち、図8(A)に示すように、開放時に円形状だったPSF(図7)が、半開放時には図8(B)に示すように、三角形になってしまうため、同様の深度拡張作用を生じさせられなくなる。
In the variable stop of the comparative example, the PSF is circular in the open state, but in the half open state, the light beam is cut into a triangle by the stop. Therefore, the light beam passing through the aberration control surface near the stop is inevitably cut off.
As a result, the light beam having the depth extending action is cut nonuniformly with respect to the chief ray.
That is, as shown in FIG. 8 (A), the PSF that was circular when opened (FIG. 7) becomes a triangle as shown in FIG. Can no longer be generated.
一方、本実施形態の可変絞り214Aでは、半開放時に円形状を保った絞りによるPSFは、図7(B)示すように、図7(A)に示す開放時同様の円形のPSFとなるため、開放時同様の深度拡張作用を保持可能である。
On the other hand, in the
次に、可変絞りに液晶素子により形成される外部依存型収差制御素子を適用した例を説明する。 Next, an example in which an externally dependent aberration control element formed by a liquid crystal element is applied to the variable diaphragm will be described.
図9は、本実施形態に係る液晶素子を含む収差制御光学系を形成する撮像レンズユニットの基本構成を示す図である。 FIG. 9 is a diagram illustrating a basic configuration of an imaging lens unit that forms an aberration control optical system including the liquid crystal element according to the present embodiment.
図9の収差制御光学系210Bが、図4の収差制御光学系210Aは、収差を意図的に発生させる収差制御機能を有する収差制御素子を適用した光学系として構成されている。
具体的には、第3レンズ213および収差制御部213aの代わりに、液晶素子により形成される外部依存型収差制御素子217が適用されている。
そして、後述するように、可変絞り214bとして、応答性の関係等から液晶デバイス(液晶素子)により形成される。
The aberration control
Specifically, instead of the
Then, as will be described later, the
本収差制御光学系210Bの収差特性は、可変絞り214bの口径が変化に応じて収差制御光学系の収差制御機能を変化させることが可能に構成されている。
本実施形態の収差制御光学系210Bは、可変絞り214bの口径にかかわらず、当該口径内で球面収差の屈折率における変曲点を少なくとも一つ有する。
そして、屈折率の変曲点における中心部との屈折率の差分量が、光軸OXの中心部から周辺部に向かって増加する。
また、変曲点と光軸中心部との屈折率の差分量が、可変絞り214bの口径が小さくなるほど大きくなる。
The aberration characteristics of the aberration control
The aberration control
Then, the difference in refractive index from the central portion at the inflection point of the refractive index increases from the central portion of the optical axis OX toward the peripheral portion.
Further, the difference in refractive index between the inflection point and the optical axis central portion increases as the aperture of the
上述したように、収差制御光学系210Bにおいて、可変絞り214の口径変化に応じて収差制御光学系の収差制御機能を変化させることが可能な素子として、外部依存型収差制御素子217を適用している。
外部依存型収差制御素子217は、結像レンズによる撮像素子220の受光面への結像の収差を変化させる機能を有する収差制御機能の発現およびその発現度合い、並びに非発現が外部に依存する。
外部依存型収差制御素子217は、制御装置290により収差制御機能が非発現状態に制御されているときは、収差制御光学系210Bがピントが合った状態となって良好な結像性能を有し、発現状態に制御されているときは収差制御光学系210Bが深度が拡張した状態となる。
そして、外部依存型収差制御素子217は、この収差制御機能が発現されているときは、制御装置200の制御の下、収差制御機能の発現の度合いが可変絞り214bの変化に合わせて変化する。
As described above, in the aberration control
The externally dependent
The externally dependent
When the aberration control function is exhibited, the degree of expression of the aberration control function of the externally dependent
図10(A)および(B)は、本実施形態に係る外部依存型収差制御素子の構成例および機能を説明するための図である。 10A and 10B are diagrams for explaining a configuration example and functions of the externally dependent aberration control element according to the present embodiment.
外部依存型収差制御素子217は、図10(A),(B)に示すように、たとえば液晶素子(液晶レンズ)217aにより構成することが可能である。
この液晶レンズ217aは、素子に与える電圧を切り替えることで、光線の集光状態を変化させることができる。
たとえば、制御装置290により電圧を印加されると、図10(A)に示すように、液晶レンズ217aは収差制御機能が発現状態に制御され、収差制御光学系210Bが複数焦点状態となる。
一方、制御装置200により電圧印加が停止(あるいは発現状態より低レベルに設定)されると、図10(B)に示すように、液晶素子217aは収差制御機能が非発現状態に制御され、収差制御光学系210Bが1焦点状態となる。
本実施形態においては、液晶レンズ217aは、発現状態にあるとき、制御装置200の制御の下、収差制御機能の発現の度合いが可変絞り214bの変化に合わせて変化する。
この収差制御機能の発現の度合いの制御においては、液晶レンズ217aへの印加電圧を、たとえばリニアに、あるいは段階的に変化させる。
これにより、液晶レンズ217aは、印加電圧の変化に応じて複数焦点状態が変化する。
As shown in FIGS. 10A and 10B, the externally dependent
The liquid crystal lens 217a can change the light collection state by switching the voltage applied to the element.
For example, when a voltage is applied by the
On the other hand, when the voltage application is stopped (or set to a lower level than the manifestation state) by the
In the present embodiment, when the liquid crystal lens 217a is in the manifestation state, the degree of expression of the aberration control function changes in accordance with the change of the
In controlling the degree of expression of the aberration control function, the voltage applied to the liquid crystal lens 217a is changed, for example, linearly or stepwise.
As a result, the liquid crystal lens 217a changes in the multi-focus state according to the change in the applied voltage.
なお、本実施形態において、可変絞り214bは、前述した図5のアイリス羽可変絞りを採用することも可能であるが、本例のように、外部依存型収差制御素子217を液晶レンズ217aで形成する場合、応答性の関係等から可変絞りを液晶デバイスで形成することが望ましい。
以下に液晶デバイスにより形成される可変絞り214について説明する。
In the present embodiment, the
The
たとえば図11に示すように、液晶デバイス300は、基本的にスイッチングトランジスタTSW、液晶素子LQD、および蓄積容量CSにより形成される画素がマトリクス状に配列される。
スイッチングトランジスタTSWのソースが信号線LSGに接続され、ゲートが走査線LSCNに接続される。
そして、制御装置200により図示しない信号線ドライバおよび走査線ドライバを駆動し、複数の画素PXLにおける光の透過、遮光を制御することにより、図12に示すように、略円形の必要に応じた口径を得ることができる。
For example, as shown in FIG. 11, the
The source of the switching transistor TSW is connected to the signal line LSG, and the gate is connected to the scanning line LSCN.
Then, a signal line driver and a scanning line driver (not shown) are driven by the
以上に述べた収差制御機能とは、意図的に収差を発生させる機能を意味する。
収差は、特に球面収差を適切に制御することで画像復元処理を施さなくても深度拡張することができる。
具体的には、本実施形態においては、ディフォーカスMTFのピントを分割することでアウトフォーカスにおけるOTFの変化を制御できる。ピントを分割させるために、球面収差に変曲点を持つようにする。
収差制御を行う外部依存型収差制御素子217を液晶レンズ217aで構成し、可変絞り214bとのハイブリット構成とすることで、球面収差の制御がより容易になる。
The aberration control function described above means a function for intentionally generating aberration.
Aberrations can be extended in depth without performing image restoration processing, particularly by appropriately controlling spherical aberration.
Specifically, in the present embodiment, it is possible to control the change of the OTF in the out-of-focus state by dividing the focus of the defocus MTF. In order to divide the focus, the spherical aberration has an inflection point.
By configuring the externally dependent
ここで、上記構成による収差制御光学系210Bは、絞り口径を変化させることで複数のF値が選択可能であり、選択可能なF値のいずれにおいても、収差制御機能の効果により深度拡張を行う。
そのために、深度拡張を行っているときの液晶レンズ217aの屈折率は、中心部(光軸OXとの交点)から周辺部に向かい、絞り口径内で、ひとつ以上の屈折率の変曲点を有するようにする。
本実施形態においては、この屈折率の変曲点における中心部との屈折率の差分量は、中心部から周辺部に行くに従い大きくなるように構成される。
通常、絞りを通過した光線は、周辺部を通過した光線ほど、中心部を通過した光線との像面上における角度の開きが大きくなる(NAが大きい)。
すなわち、通常の光学系では、NAが大きい光線束ほど、焦点深度は浅くなるため、これを相殺するために、発生する収差量(球面収差量)を大きくする方が望ましい。
また、本実施形態においては、屈折率の変曲点における中心部との屈折率の差分量は、F値が暗くなるほど大きくなるように構成される。F値が暗いほど、焦点深度が長くなるため、相応の深度拡張を図るためには、大きな収差量を必要とするためである。
Here, the aberration control
Therefore, the refractive index of the liquid crystal lens 217a when the depth is extended is from the central portion (intersection with the optical axis OX) to the peripheral portion, and at least one inflection point of the refractive index within the aperture. To have.
In this embodiment, the difference in refractive index from the central portion at the inflection point of the refractive index is configured to increase from the central portion toward the peripheral portion.
Usually, the light beam that has passed through the stop has a larger angle difference (NA is larger) on the image plane with the light beam that has passed through the peripheral part.
That is, in a normal optical system, the depth of focus becomes shallower as the beam bundle has a larger NA. Therefore, it is desirable to increase the amount of generated aberration (spherical aberration) in order to cancel this.
In the present embodiment, the difference in refractive index from the central portion at the inflection point of the refractive index is configured to increase as the F value becomes darker. This is because the darker the F value, the longer the depth of focus, and a large amount of aberration is required to achieve a corresponding depth expansion.
さらに、収差制御光学系210Bにおいては、収差制御光学液210Aと同様に、収差制御機能を有する収差制御面を内包する収差制御光学系を用いてPSFを2画素以上にまたがるようにし、所定の周波数において偽解像しない主像面シフト領域でディフォーカスに対するMTF特性が2つ以上のピークを持つ深度拡張光学系として構成される。
一般的な光波面変調機能を用いた深度拡張光学系では物体距離に対するMTF特性をほぼ一定にすることによって深度を拡張するが、これではそれと引き換えにMTF特性のピーク値が下がってしまう。
本実施形態においては、収差制御機能を用いてピークを複数持つようにすることで、ピーク値の低下を抑えつつ深度拡張を実現できる。
球面収差を適切に制御することで画像復元処理を施さなくても深度拡張することができる。
具体的には、本実施形態の収差制御光学系210Bは、主に球面収差を発生させる収差制御素子、または収差制御面によりディフォーカスに対するMTFのピークを複数に分ける(ここでは2分する)ことでアウトフォーカスにおけるOTFの変化を制御でき、深度を拡張することができる。そして、ピークを分割させるために、球面収差に変曲点を持たせる。
上述したように、球面収差に2つ以上の変曲点を適切に持たせることで複数の絞り口径の選択に対し、深度拡張を実現することができる。
そして、上述したように、深度拡張作用を期待されるF値の中で、最も明るいF値の時に光線が通過する収差制御面の領域と最も暗いF値の時に光線が通過する収差制御面の領域の間で、ひとつ以上の変曲点を有することが望ましい。
この構成を採用することにより、F値を変化させた場合でも効率よく深度拡張作用を得られる。
Further, in the aberration control
In a depth extension optical system using a general optical wavefront modulation function, the depth is extended by making the MTF characteristic with respect to the object distance substantially constant. However, in this case, the peak value of the MTF characteristic is lowered.
In the present embodiment, by having a plurality of peaks using the aberration control function, depth extension can be realized while suppressing a decrease in peak value.
By appropriately controlling the spherical aberration, it is possible to extend the depth without performing image restoration processing.
Specifically, the aberration control
As described above, depth expansion can be realized for selection of a plurality of aperture diameters by appropriately giving two or more inflection points to the spherical aberration.
As described above, among the F values expected to have a depth expansion effect, the region of the aberration control surface through which the light beam passes at the brightest F value and the aberration control surface through which the light beam passes at the darkest F value. It is desirable to have one or more inflection points between regions.
By adopting this configuration, even when the F value is changed, it is possible to efficiently obtain the depth extending action.
以下、本実施形態に係る収差制御光学系210A,210Bの特徴的な構成、機能についてさらに詳述する。
Hereinafter, the characteristic configuration and function of the aberration control
図13(A)、(B)および図14(A),(B)は、本実施形態に係る収差制御光学系の球面収差発生量について説明するための図である。図13は撮像素子(センサ)を固定したときのセンサとPSFとの関係を示し、図14は収差制御光学系を固定したときのセンサとPSFとの関係を示している。 FIGS. 13A and 13B and FIGS. 14A and 14B are diagrams for explaining the spherical aberration generation amount of the aberration control optical system according to the present embodiment. FIG. 13 shows the relationship between the sensor and the PSF when the imaging element (sensor) is fixed, and FIG. 14 shows the relationship between the sensor and the PSF when the aberration control optical system is fixed.
たとえば、撮像素子220はある画素ピッチを有するセンサであるとする。その場合に、本実施形態では、球面収差を発生させてPSFを1画素PXLより大きくする必要がある。
図13(A)および図14(A)に示すように、1画素PXLの中にPSFが納まってしまうサイズで球面収差を発生させてもそれは通常の光学系と同じである。通常光学系では一般的にピント位置の中心PSFのサイズが最小となる。
これに対して、本実施形態に係る収差制御光学系210A、210Bでは、図13(B)に示すように、PSFはアウトフォーカスに限らずピント位置までも1画素PXLに収まらないサイズに制御される。
For example, it is assumed that the
As shown in FIGS. 13A and 14A, even if spherical aberration is generated with a size that allows the PSF to be accommodated in one pixel PXL, it is the same as a normal optical system. In the normal optical system, the size of the center PSF at the focus position is generally minimum.
On the other hand, in the aberration control
次に、収差制御光学系に適した撮像素子(センサ)選定について説明する。
たとえばあるPSFサイズを持った収差制御光学系があるとすると、図14(B)に示すように、センサの画素ピッチがPSFのサイズより小さいものを選ぶことが好ましい。
仮に画素ピッチがPSFより大きいものを選んだとすると通常光学系と同じとなってしまい、そこがピントとなってしまう。よって、その場合、収差制御光学系の球面収差の効果を有効に得ることができない。
Next, selection of an image sensor (sensor) suitable for the aberration control optical system will be described.
For example, if there is an aberration control optical system having a certain PSF size, it is preferable to select a sensor whose pixel pitch is smaller than the size of the PSF, as shown in FIG.
If a pixel pitch larger than the PSF is selected, it becomes the same as the normal optical system, which is in focus. Therefore, in this case, the effect of spherical aberration of the aberration control optical system cannot be obtained effectively.
図15(A)〜(C)は、通常光学系および本実施形態に係る収差制御光学系のディフォーカスに対するMTFの状態を示す図である。
図15(A)は通常光学系のディフォーカスに対するMTFの状態を示し、図15(B)は本実施形態に係る収差制御光学系のディフォーカスに対するMTFの状態を示し、図15(C)は物体距離に対するMTF特性をほぼ一定にした深度拡張光学系のディフォーカスに対するMTFの状態を示している。
FIGS. 15A to 15C are diagrams illustrating the MTF state with respect to the defocus of the normal optical system and the aberration control optical system according to the present embodiment.
FIG. 15A shows the MTF state with respect to the defocus of the normal optical system, FIG. 15B shows the MTF state with respect to the defocus of the aberration control optical system according to the present embodiment, and FIG. The MTF state with respect to the defocus of the depth extension optical system in which the MTF characteristic with respect to the object distance is substantially constant is shown.
通常の光学系では、図15(A)に示すように、ピント位置が一つで中心にある。両サイドにある二つ目の山は落ちきって反転しているため、偽解像となる。
そのため、解像する領域は網掛けで示す主像面シフト領域MSARとなる。通常光学系の1つのピークを深度拡張すると、図15(C)に示すように、MTFは大きく劣化してしまう。
In a normal optical system, as shown in FIG. 15A, there is one focus position at the center. The second mountain on both sides falls and flips, resulting in false resolution.
Therefore, the area to be resolved is a main image plane shift area MSAR indicated by shading. When the depth of one peak of the normal optical system is extended, the MTF is greatly deteriorated as shown in FIG.
そこで、本実施形態に係る収差制御光学系のディフォーカスに対するMTFでは、図15(B)に示すように、通常光学系において一つのピークPK1であったのを2つのピークPK11、PK12に分割させている。
MTFは若干劣化するが、深度は2つに分割したことによって2倍程度に伸びていて、さらにひとつのピークを深度拡張するより劣化を抑えていることがわかる。
Therefore, in the MTF for the defocus of the aberration control optical system according to the present embodiment, as shown in FIG. 15B, the single peak PK1 in the normal optical system is divided into two peaks PK11 and PK12. ing.
It can be seen that although the MTF is slightly degraded, the depth is increased by about 2 times due to the division into two, and the degradation is suppressed more than the depth extension of one peak.
図16(A)〜(C)および図17(A)〜(C)は、本実施形態の収差制御光学系において、球面収差曲線(カーブ)によって任意の周波数でディフォーカスに対するMTFが2分できることを説明する図である。 FIGS. 16A to 16C and FIGS. 17A to 17C show that the MTF for defocus can be divided into two at an arbitrary frequency by a spherical aberration curve (curve) in the aberration control optical system of the present embodiment. FIG.
図16(A)〜(C)は、高周波のOTF変動を抑えた収差制御光学系における任意の周波数でディフォーカスに対するMTFが2分できることを示しており、図16(A)が球面収差カーブを示し、図16(B)が低周波での主像面シフト領域エリアMSARのMTFのピークの状態を示し、図16(C)が高周波での主像面シフト領域エリアMSARのMTFのピークの状態を示している。 FIGS. 16A to 16C show that the MTF for defocus can be divided into two at an arbitrary frequency in the aberration control optical system in which high-frequency OTF fluctuation is suppressed, and FIG. 16A shows the spherical aberration curve. FIG. 16B shows the state of the MTF peak in the main image plane shift area area MSAR at low frequency, and FIG. 16C shows the state of the MTF peak in the main image plane shift area area MSAR at high frequency. Is shown.
図17(A)〜(C)は、低周波のOTF変動を抑えた収差制御光学系における任意の周波数でディフォーカスに対するMTFが2分できることを示しており、図17(A)が球面収差カーブを示し、図17(B)が低周波での主像面シフト領域エリアMSARのMTFのピークの状態を示し、図17(C)が高周波での主像面シフト領域エリアMSARのMTFのピークの状態を示している。 FIGS. 17A to 17C show that the MTF for defocus can be divided into two at an arbitrary frequency in the aberration control optical system in which the low-frequency OTF fluctuation is suppressed. FIG. 17A shows the spherical aberration curve. FIG. 17B shows the state of the MTF peak in the main image plane shift area area MSAR at a low frequency, and FIG. 17C shows the MTF peak state in the main image plane shift area area MSAR at a high frequency. Indicates the state.
図17(A)〜(C)からわかるように、低周波の深度を伸ばすためには、球面収差の振幅を大きくすれば良い。
振幅の大きさをコントロールすることによって任意の周波数のディフォーカスMTFを2分割することができる。つまり任意の周波数の深度を拡張することができる。
As can be seen from FIGS. 17A to 17C, in order to increase the depth of the low frequency, the amplitude of the spherical aberration may be increased.
A defocus MTF having an arbitrary frequency can be divided into two by controlling the amplitude. That is, the depth of an arbitrary frequency can be expanded.
なお、本実施形態において、ディフォーカスに対する低周波および高周波とは次のように定義する。
使用する固体撮像素子(撮像素子220)の画素ピッチから決まるナイキスト周波数の半分以上の周波数を高周波、半分より低い周波数を低周波とする。
ただし、ナイキスト周波数は下記の通りに定義する。
ナイキスト周波数=1/(固体撮像素子の画素ピッチ×2)
In the present embodiment, the low frequency and high frequency for defocus are defined as follows.
A frequency that is half or more of the Nyquist frequency determined from the pixel pitch of the solid-state imaging device (imaging device 220) to be used is a high frequency, and a frequency lower than half is a low frequency.
However, the Nyquist frequency is defined as follows.
Nyquist frequency = 1 / (pixel pitch of solid-state image sensor × 2)
図18(A)〜(C)は、絞り径の違いによる球面収差とディフォーカスMTF、および本光学系と通常光学系と深度を比較して示す図である。
図18(A)は絞りを開放した状態を示し、図18(B)は絞りを中間に絞った状態を示し、図18(C)は絞りを絞った状態を示している。
18A to 18C are diagrams showing spherical aberration and defocus MTF due to a difference in aperture diameter, and a comparison between the present optical system and a normal optical system in depth.
FIG. 18A shows a state in which the aperture is opened, FIG. 18B shows a state in which the aperture is stopped in the middle, and FIG. 18C shows a state in which the aperture is stopped.
絞りを最も開放した状態では、図18(A)に示すように、複数の変曲点を持つ絞り近傍の収差制御面において光線が通過するために、球面収差カーブにおいても複数の変曲点を持つ。
そこから絞りを狭めても、図18(B)および(C)に示すように、変曲点が少なくともひとつ以上残る状態まで深度拡張作用を持続できる。
In the state where the aperture is opened most, as shown in FIG. 18A, since light rays pass through the aberration control surface near the aperture having a plurality of inflection points, a plurality of inflection points are also formed in the spherical aberration curve. Have.
Even if the aperture is narrowed from there, as shown in FIGS. 18B and 18C, the depth expansion action can be continued until at least one inflection point remains.
図19(A)〜(C)は、絞り口径の違いによる通常光学系と本実施形態に係る収差制御光学系のディフォーカスMTFを比較して示す図である。
図19(A)は可変絞りを開放した状態を、図19(B)は可変絞りを中間的に絞った状態を、図19(C)は可変絞りを絞った状態を示している。
FIGS. 19A to 19C are diagrams showing a comparison of the defocus MTFs of the normal optical system and the aberration control optical system according to the present embodiment due to the difference in aperture diameter.
FIG. 19A shows a state in which the variable aperture is opened, FIG. 19B shows a state in which the variable aperture is stopped in the middle, and FIG. 19C shows a state in which the variable aperture is stopped.
図19(A)〜(C)において、網掛け部は深度領域を示す。
図19(A)〜(C)からわかるように、選択可能なF値(絞り口径)によらず同等レベルの深度拡張効果をもたせるためには、絞り口径が小さくなるに従い、その中心から離れた同じ位置での光学変調量は大きい方が良い。
In FIGS. 19A to 19C, shaded portions indicate depth regions.
As can be seen from FIGS. 19A to 19C, in order to have the same level of depth expansion effect regardless of the selectable F value (diaphragm aperture), as the aperture diameter decreases, the distance from the center increases. A larger optical modulation amount at the same position is better.
以上、本実施形態に係る光学系の特徴的な構成、機能、効果について説明した。
以下に、撮像素子、画像処理部等の他の構成部分の構成、機能について説明する。
The characteristic configuration, function, and effect of the optical system according to the present embodiment have been described above.
Hereinafter, the configuration and functions of other components such as the image sensor and the image processing unit will be described.
撮像素子220は、たとえば図4に示すように、第4レンズ216側から、ガラス製の平行平面板(カバーガラス)221と、CCDあるいはCMOSセンサ等からなる撮像素子の撮像面222が順に配置されている。
収差制御光学系210Aを介した被写体OBJからの光が、撮像素子220の撮像面222上に結像される。
なお、撮像素子220で撮像される被写体分散像は、収差制御面213aあるいは外部依存型収差制御素子217により撮像素子220上ではピントが合わず、深度の深い光束とボケ部分が形成された像である。
For example, as shown in FIG. 4, the
Light from the subject OBJ via the aberration control
Note that the subject dispersion image captured by the
そして、図3に示すように撮像素子220は、収差制御光学系210で取り込んだ像が結像され、結像1次画像情報を電気信号の1次画像信号FIMとして、アナログフロントエンド部230を介して画像処理装置240に出力するCCDやCMOSセンサからなる。
図3においては、撮像素子220を一例としてCCDとして記載している。
As shown in FIG. 3, the
In FIG. 3, the
アナログフロントエンド部230は、タイミングジェネレータ231、アナログ/デジタル(A/D)コンバータ232と、を有する。
タイミングジェネレータ231では、撮像素子220のCCDの駆動タイミングを生成しており、A/Dコンバータ232は、CCDから入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換し、画像処理装置240に出力する。
The analog
The
信号処理部の一部を構成する画像処理装置240は、前段のAFE230からくる撮像画像のデジタル信号を入力し、エッジ強調等の画像処理を施し、収差制御光学系201の収差により低下したコントラストを向上させ、後段のカメラ信号処理部(DSP)250に渡す。
The
カメラ信号処理部(DSP)250は、カラー補間、ホワイトバランス、YCbCr変換処理、圧縮、ファイリング等の処理を行い、メモリ260への格納や画像モニタリング装置270への画像表示等を行う。
The camera signal processing unit (DSP) 250 performs processing such as color interpolation, white balance, YCbCr conversion processing, compression, and filing, and stores the data in the
制御装置290は、露出制御を行うとともに、操作部280などの操作入力を持ち、それらの入力に応じて、システム全体の動作を決定し、AFE230、画像処理装置240、DSP250、外部依存型収差制御素子217、可変絞り214,214b等を制御し、システム全体の調停制御を司るものである。
The
以下、本実施形態の光学系、画像処理装置の構成および機能について具体的に説明する。 Hereinafter, the configuration and functions of the optical system and the image processing apparatus according to the present embodiment will be described in detail.
本実施形態においては、収差制御光学系を採用し、高精細な画質を得ることが可能で、しかも、光学系を簡単化でき、コスト低減を図ることが可能となっている。 In the present embodiment, an aberration control optical system is employed to obtain high-definition image quality, and the optical system can be simplified and the cost can be reduced.
画像処理装置240は、上述したように、撮像素子220による1次画像FIMを受けて、エッジ強調等の画像処理を施し、収差制御光学系210A、210Bの収差により低下したコントラストを向上させる処理等を施して高精細な最終画像FNLIMを形成する。
As described above, the
画像処理装置240のMTF補正処理は、たとえば図20の曲線Aで示すように、本質的に低い値になっている1次画像のMTFを、空間周波数をパラメータとしてエッジ強調、クロマ強調等の後処理にて、図20中曲線Bで示す特性に近づく(達する)ような補正を行う。
図20中曲線Bで示す特性は、たとえば本実施形態のように、収差制御面または収差制御光学素子を用いずに波面を変形させない場合に得られる特性である。
なお、本実施形態における全ての補正は、空間周波数のパラメータによる。
The MTF correction processing of the
A characteristic indicated by a curve B in FIG. 20 is a characteristic obtained when the wavefront is not deformed without using the aberration control surface or the aberration control optical element as in the present embodiment.
It should be noted that all corrections in the present embodiment are based on spatial frequency parameters.
本実施形態においては、図20に示すように、光学的に得られる空間周波数に対するMTF特性曲線Aに対して、最終的に実現したいMTF特性曲線Bを達成するためには、それぞれの空間周波数に対し、図21に示すようにエッジ強調等の強弱を付け、元の画像(1次画像)に対して補正をかける。
たとえば、図20のMTF特性の場合、空間周波数に対するエッジ強調の曲線は、図21に示すようになる。
In this embodiment, as shown in FIG. 20, in order to achieve the MTF characteristic curve B to be finally realized with respect to the MTF characteristic curve A with respect to the optically obtained spatial frequency, each spatial frequency is changed to each spatial frequency. On the other hand, as shown in FIG. 21, the original image (primary image) is corrected by applying strength such as edge enhancement.
For example, in the case of the MTF characteristic shown in FIG. 20, the curve of edge enhancement with respect to the spatial frequency is as shown in FIG.
すなわち、空間周波数の所定帯域内における低周波数側および高周波数側でエッジ強調を弱くし、中間周波数領域においてエッジ強調を強くして補正を行うことにより、所望のMTF特性曲線Bを仮想的に実現する。 That is, a desired MTF characteristic curve B is virtually realized by performing correction by weakening edge enhancement on the low frequency side and high frequency side within a predetermined spatial frequency band and strengthening edge enhancement in the intermediate frequency region. To do.
このように、実施形態に係る撮像装置200は、基本的に、1次画像を形成する収差制御光学系210および撮像素子220と、1次画像を高精細な最終画像に形成する画像処理装置240からなり、光学系システムの中に、収差制御素子を新たに設けるか、またはガラス、プラスチックなどのような光学素子の面を収差制御用に成形したものを設けることにより、球面収差を意図的に発生させて焦点深度を拡張した像を生成し、そのような像をCCDやCMOSセンサからなる撮像素子220の撮像面(受光面)に結像させ、その結像1次画像を、画像処理装置240を通して高精細画像を得る画像形成システムである。
本実施形態では、撮像素子220による1次画像は深度が非常に深い光束条件にしている。そのために、1次画像のMTFは本質的に低い値になっており、そのMTFの補正を画像処理装置240で行う。
As described above, the
In the present embodiment, the primary image from the
次に、本実施形態および通常光学系のMTFのレスポンスについて考察する。 Next, the response of the MTF of this embodiment and the normal optical system will be considered.
図22は、通常の光学系の場合において物体が焦点位置にあるときと焦点位置から外れたときのMTFのレスポンス(応答)を示す図である。
図23は、収差制御素子を有する本実施形態の光学系の場合において物体が焦点位置にあるときと焦点位置から外れたときのMTFのレスポンスを示す図である。
また、図24は、本実施形態に係る撮像装置の画像処理後のMTFのレスポンスを示す図である。
FIG. 22 is a diagram illustrating MTF responses when the object is at the focal position and when the object is out of the focal position in the case of a normal optical system.
FIG. 23 is a diagram illustrating the response of the MTF when the object is at the focal position and when the object is out of the focal position in the optical system of the present embodiment having the aberration control element.
FIG. 24 is a diagram illustrating a response of the MTF after image processing of the imaging apparatus according to the present embodiment.
図からもわかるように、収差制御面または収差制御素子を有する光学系の場合、物体が焦点位置から外れた場合でもMTFのレスポンスの変化が収差制御面または収差制御素子を挿入してない光学系よりも少なくなる。
この光学系によって結像された画像を、後段の画像処理装置240によって画像処理することにより、MTFのレスポンスを向上させることができる。
ただし、画像処理を行うとノイズが増加してしまう場合には、好適にはMTFのレスポンスを向上させるような画像処理は行わないようにすることも可能である。
上述したように、目的に応じて意図的に収差を発生させる光学系を収差制御光学系という。
As can be seen from the figure, in the case of an optical system having an aberration control surface or an aberration control element, even if the object deviates from the focal position, the change in the response of the MTF does not insert the aberration control surface or the aberration control element. Less than.
The image formed by the optical system is subjected to image processing by the subsequent
However, if noise increases when image processing is performed, it is preferable not to perform image processing that preferably improves the response of the MTF.
As described above, an optical system that intentionally generates aberration according to the purpose is referred to as an aberration control optical system.
図23に示した、収差制御光学系のOTFの絶対値(MTF)はナイキスト周波数において0.1以上であることが好ましい。
なぜなら、図24に示した復元後のOTFを達成するためには画像処理でゲインを上げることになるが、センサのノイズも同時に上げることになる。そのため、ナイキスト周波数付近の高周波ではできるたけゲインを上げずに画像処理を行うことが好ましい。
通常の光学系の場合、ナイキスト周波数でのMTFが0.1以上あれば解像する。
したがって、画像処理前のMTFが0.1以上あれば、画像処理でナイキスト周波数でのゲインを上げずに済む。画像処理前のMTFが0.1未満であると、画像処理後の画像がノイズの影響を大きく受けた画像になるため好ましくない。
The absolute value (MTF) of the OTF of the aberration control optical system shown in FIG. 23 is preferably 0.1 or more at the Nyquist frequency.
This is because, in order to achieve the OTF after restoration shown in FIG. 24, the gain is increased by image processing, but the noise of the sensor is also increased at the same time. Therefore, it is preferable to perform image processing without increasing the gain as much as possible at high frequencies near the Nyquist frequency.
In the case of a normal optical system, resolution is achieved if the MTF at the Nyquist frequency is 0.1 or more.
Therefore, if the MTF before image processing is 0.1 or more, it is not necessary to increase the gain at the Nyquist frequency in image processing. If the MTF before image processing is less than 0.1, the image after image processing becomes an image greatly affected by noise, which is not preferable.
以上説明したように、本実施形態によれば、可変絞り214、収差を意図的に発生させる収差制御機能を有する収差制御光学系210、撮像素子220、および1次画像を高精細な最終画像に形成する画像処理装置240を含み、可変絞り214の口径の変化に応じて収差制御光学系の収差制御機能を変化させることが可能に構成されている。
そして、本実施形態の収差制御光学系210は、光軸を中心に回転対象な特性を有し、可変絞り214も口径を変化させても光軸中心で略円形の形状を形成するように構成される。
本実施形態の収差制御光学系210は、可変絞り214の口径にかかわらず、当該口径内で球面収差の屈折率における変曲点を少なくとも一つ有する。
そして、屈折率の変曲点における中心部との屈折率の差分量が、光軸OXの中心部から周辺部に向かって増加する。
また、前記変曲点と光軸中心部との屈折率の差分量が、可変絞り214の口径が小さくなるほど大きくなる。
As described above, according to the present embodiment, the
The aberration control
The aberration control
Then, the difference in refractive index from the central portion at the inflection point of the refractive index increases from the central portion of the optical axis OX toward the peripheral portion.
Further, the difference in refractive index between the inflection point and the optical axis central portion increases as the aperture of the
したがって、本実施形態によれば、絞り径を変化させても深度拡張機能の低下を防止することが可能で、広い範囲の被写体輝度においても良好な深度拡張機能を実現することができる。 Therefore, according to the present embodiment, it is possible to prevent the depth extension function from being lowered even if the aperture diameter is changed, and it is possible to realize a good depth extension function even in a wide range of subject luminance.
また、本実施形態によれば、収差制御光学系は、収差を意図的に発生させる収差制御機能を持つ収差制御素子を含む、もしくは収差制御機能を有する収差制御面を内包する収差制御光学系を用いてPSFを2画素以上にまたがるようにし、所定の周波数において偽解像しない主像面シフト領域でディフォーカスに対するMTF特性が2つ以上のピークを持つ深度拡張光学系として形成されていることから、以下の効果を得ることができる。 Further, according to the present embodiment, the aberration control optical system includes an aberration control optical system including an aberration control element having an aberration control function for intentionally generating an aberration, or including an aberration control surface having an aberration control function. Since the PSF is spread over two or more pixels, the MTF characteristic for defocus is formed as a depth extension optical system having two or more peaks in the main image plane shift region that is not falsely resolved at a predetermined frequency. The following effects can be obtained.
本実施形態においては、収差制御機能を用いてディフォーカスに対するMTF特性において2つ以上のピークを複数持つようにすることで、ピーク値の低下を抑えつつ、収差制御素子を持たない一般的な光学系よりも深度を拡張できる。
すなわち、本実施形態によれば、球面収差を適切に制御することで、画像復元処理を施さなくても深度を拡張することができ、適切な画質の、ノイズの影響が小さい良好な画像を得ることが可能となる。
In this embodiment, by using the aberration control function to have a plurality of two or more peaks in the MTF characteristic for defocus, a general optical without an aberration control element while suppressing a decrease in peak value. Can extend the depth more than the system.
That is, according to the present embodiment, by appropriately controlling the spherical aberration, the depth can be expanded without performing the image restoration process, and a good image with appropriate image quality and less influence of noise is obtained. It becomes possible.
そして、本実施形態に係る撮像装置200は、デジタルカメラやカムコーダー等の民生機器の小型、軽量、コストに考慮が必要な光学システムに使用することが可能である。
また、収差制御光学系210の構成を簡単化でき、製造が容易となり、コスト低減を図ることができる。
The
In addition, the configuration of the aberration control
なお、本実施形態に係る撮像装置200が適用可能な電子機器としては、デジタルスチルカメラの他に、情報読み取り装置、ビデオカメラ、デジタルビデオユニット、パーソナルコンピュータ、携帯電話機、PDA、画像検査装置、自動制御用産業カメラ等に適用可能である。
In addition to the digital still camera, the electronic apparatus to which the
200・・・撮像装置、210・・・収差制御光学系、211・・・第1レンズ、212・・・第2レンズ、213・・・第3レンズ、213a・・・収差制御面、214,214b・・・可変絞り、215・・・第4レンズ、216・・・第5レンズ、217・・・外部依存型収差制御素子、217a・・・液晶素子(液晶レンズ)、220・・・撮像素子、230・・・アナログフロントエンド部(AFE)、240・・・画像処理装置、250・・・カメラ信号処理部、280・・・操作部、290・・・制御装置、MSAR・・・主像面シフト領域。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
光軸を中心とした略円形の口径を形成して前記収差制御光学系を通過する光束を制限し、当該口径を可変とする可変絞りと、
前記収差制御光学系および前記可変絞りを通過した被写体像を撮像する撮像素子と、を有し、
前記収差制御部は、
発生する前記収差が光軸を中心に回転対称で、前記球面収差の変曲点を少なくとも一つ有する
撮像装置。 An aberration control optical system including an aberration control unit having an aberration control function for generating spherical aberration;
A variable aperture that forms a substantially circular aperture around the optical axis to limit the light flux that passes through the aberration control optical system, and the aperture is variable;
An imaging element that images the subject image that has passed through the aberration control optical system and the variable aperture;
The aberration control unit is
An imaging apparatus in which the generated aberration is rotationally symmetric about an optical axis and has at least one inflection point of the spherical aberration.
複数枚の羽を有し、当該羽を可動とすることにより前記口径を可変させる
請求項1に記載の撮像装置。 The variable aperture is
The imaging apparatus according to claim 1, wherein the imaging device includes a plurality of wings, and the aperture is varied by making the wings movable.
液晶素子によって構成され、前記光束の通過部分と遮光部分を変化させて前記口径を可変させる
請求項1に記載の撮像装置。 The variable aperture is
The imaging apparatus according to claim 1, wherein the imaging device is configured by a liquid crystal element, and the aperture is varied by changing a passage portion and a light shielding portion of the light flux.
前記可変絞りの口径にかかわらず当該口径内で前記球面収差の変曲点を有する
請求項1から3のいずれか一に記載の撮像装置。 The aberration control unit is
The imaging apparatus according to claim 1, wherein the imaging device has an inflection point of the spherical aberration within the aperture regardless of the aperture of the variable aperture.
前記収差制御機能を有する収差制御部が前記絞りに隣接して配置されている
請求項1から4のいずれか一に記載の撮像装置。 The aberration control optical system is
The imaging apparatus according to claim 1, wherein an aberration control unit having the aberration control function is disposed adjacent to the diaphragm.
球面収差を発生させることによって深度を拡張させる機能を含む
請求項1から5のいずれか一に記載の撮像装置。 The aberration control unit is
The imaging apparatus according to claim 1, further comprising a function of expanding a depth by generating spherical aberration.
請求項1から6のいずれか一に記載の撮像装置。 The imaging according to any one of claims 1 to 6, further comprising an image processing unit that performs image processing on an image signal obtained by the imaging element and improves an image characteristic that is deteriorated due to an aberration of the aberration control optical system. apparatus.
前記撮像装置は、
球面収差を発生させる収差制御機能を有する収差制御部を含む収差制御光学系と、
光軸を中心とした略円形の口径を形成して前記収差制御光学系を通過する光束を制限し、当該口径を可変とする可変絞りと、
前記収差制御光学系および前記可変絞りを通過した被写体像を撮像する撮像素子と、を有し、
前記収差制御部は、
発生する前記収差が光軸を中心に回転対称で、前記球面収差の変曲点を少なくとも一つ有する
電子機器。 Having an imaging device;
The imaging device
An aberration control optical system including an aberration control unit having an aberration control function for generating spherical aberration;
A variable aperture that forms a substantially circular aperture around the optical axis to limit the light flux that passes through the aberration control optical system, and the aperture is variable;
An imaging element that images the subject image that has passed through the aberration control optical system and the variable aperture;
The aberration control unit is
An electronic apparatus in which the generated aberration is rotationally symmetric about an optical axis and has at least one inflection point of the spherical aberration.
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