(57)【要約】【課題】画像処理による歪曲収差を前提とした撮像装置にて、画面中央領域の画質劣化を低減する。【解決手段】レンズ設計時の残存歪曲量を規定し、画像処理歪曲補正を周辺に重点化し、鮮鋭度回復処理をメリディオナル方向に限定し、且つ設計値を基準として補正量を設定することで画面中心の解像性能低下を防止する。【選択図】図１
2014053700.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的に樽型歪曲収差が残存した撮像光学系と、それを有する撮像装置からの信号を処理する画像処理装置であって、
画像処理による歪曲収差補正により歪曲収差を補正する機能を有し、
歪曲収差を像高の関数として、
【数１】
2014053700.tif 000005
と表現したときに、
光学系に残存する樽型歪曲収差は、
像高５割まで−３％≦ｄｉｓｔ、
像高９割で−２０％≦ｄｉｓｔ≦−１０％
であって、
画像処理による歪曲収差補正を行った画像には、メリディオナル方向のみアパーチャ補正処理乃至エッジ強調処理の画像鮮鋭化処理を行い、サジタル方向は画像鮮鋭化処理を行わず、
メリディオナル方向のみの補正量は、設計時の残存歪曲収差量に基づいて一義的に決められていることを特徴とする撮像及び画像処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像処理装置および画像処理方法に関し、特に、カメラ、内視鏡等軸対称な撮像光学系を有する撮像装置からの信号を処理する画像処理装置および画像処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コンパクトデジタルカメラ等撮像装置では、特にズームレンズの広角側に於いて、より広角のものが増えてきており、画角に依存する歪曲収差の発生量が大きくなる。また、撮影レンズの光学設計上の歪曲収差補正を減らし、デジタル画像処理による画像処理による歪曲収差補正を行う例が増えている。
【０００３】
デジタル画像処理による歪曲収差補正は、一般的には、広角端で発生する樽型の歪曲収差を、画像の引き伸ばしによって補正するものである。以下、樽型の歪曲収差に限定して記載する。
【０００４】
周知のように歪曲収差は像高により横倍率が非線形に変化するものである。広角端で発生する樽型の歪曲収差と呼ばれるものは、高い像高になるに従い、軸上に比較して横倍率が非線形に小さくなってゆくものである。この歪曲収差の発生量に応じて、これを相殺するように画像を引き伸ばすことで、歪曲収差を後処理にて低減することが可能となる。その結果、レンズには歪曲収差の残存が許されるため、レンズ設計上歪曲収差を補正する必要が低下し、レンズ設計の自由度が増す。増した自由度は、レンズの枚数削減、使用する非球面数削減など小型化、低コスト化に振り向けることができる。
【０００５】
一方で、画像処理による歪曲補正は画像の引き伸ばし操作によるため、解像性能の低下を招く問題がある。
【０００６】
画像処理による歪曲補正は、主にメリディオナル方向への画像の引き伸ばしによる座標変換とそれに伴う補間処理による。この時、前述のように高い像高に至るに従い非線形に引き伸ばし量が増大する。解像性能低下は、引き伸ばされる量に応じて増大するので、高い像高、即ち画像周辺部ほど解像性能の低下が顕著になる。この課題に対し、高い像高側でアパーチャ補正量を増大させるという解決手段の提案がなされている（特許文献１）。
【０００７】
また、このような広角レンズは一般に画面周辺部、即ち高い像高に於いて非点収差などの影響により画質の低下が生じ易い。この課題の指摘と、アパーチャ補正量をメリディオナル方向とサジタル方向で異なった処理を施すという解決手段の提案がなされている（特許文献２）。
【０００８】
しかしながら、歪曲収差が軸上から徐々に増大している場合、画像処理による歪曲収差補正を行うことで、画面の中心付近から既に解像性能の低下が生じるという問題があった。
【０００９】
また、特許文献１に示すように、画像処理による歪曲収差補正の影響を緩和するために、高い像高側に於いて、アパーチャ補正処理の補正量を増大させた場合、サジタル方向に於いて補正過剰になり、画質に良くない影響を及ぼすことが判明した。
【００１０】
一方、特許文献２に示すように、光学系の軸外光束のメリディオナル方向とサジタル方向のＦ値の差に基づく結像性能差、及び、非点収差によるメリディオナル方向とサジタル方向の像面差に起因する、即ち軸外のデフォーカスによる解像性能低下に対し、メリディオナル方向とサジタル方向で異なるエッジ強調処理を適用するものである。この場合、光学系の個体製造バラつきの影響を受けるため、個体毎に適した条件を適用する必要があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−２４２１２５号公報
【特許文献２】特開２００６−２１１２１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記事実に鑑みてなされたものであり、画像処理による歪曲補正にて、画面中心付近に於ける解像性能の低下の低減を図ることができる撮像装置を提案することを目的とする。
【００１３】
歪曲収差は、３次収差領域に於いて、像高の３乗に比例する。そのため、画像処理による歪曲収差補正を行う場合、画面中心から徐々に引き伸ばされており、引き伸ばし量の大きな画面周辺部はさることながら、画像中央付近から解像力劣化の影響を受けていた。
【００１４】
その結果、画面中心付近でも何となく眠い画質になってしまい、画面全体でメリハリのない画像しか得られないという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明による方法では、画像処理の負荷の増大を抑えつつ、広角撮像レンズに残存させる樽型歪曲収差に条件を加えることと、それに適した解像性能回復手段を設定する。
【００１６】
本発明に係る画像処理装置の構成は、
光学的に樽型歪曲収差が残存した撮像光学系と、それを有する撮像装置からの信号を処理する画像処理装置であって、
画像処理による歪曲収差補正により歪曲収差を補正する機能を有し、
歪曲収差を像高の関数として、
【００１７】
【数１】
2014053700.tif 000003
と表現したときに、
光学系に残存する樽型歪曲収差は、
像高５割まで−３％≦ｄｉｓｔ、
像高９割で−２０％≦ｄｉｓｔ≦−１０％
であって、
画像処理による歪曲収差補正を行った画像には、メリディオナル方向のみアパーチャ補正処理乃至エッジ強調処理などの画像鮮鋭化処理を行い、サジタル方向は画像鮮鋭化処理を行わず、メリディオナル方向のみの補正量は、設計時の残存歪曲収差量に基づいて一義的に決められていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の効果は、画像処理による歪曲収差補正を行っても、特に画像中央領域の解像力低下を抑制し、画質の全体的な劣化のない撮像装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態に従う歪曲収差の特性を示す説明図
【図２】歪曲収差補正の概念を説明する説明図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
〈実施例の基本構成〉
以下添付図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
【実施例】
【００２１】
本発明の実施例に関する説明を以下に記す。
【００２２】
本発明の実施例は画像処理による歪曲収差補正を前提とした撮影レンズに於いて、歪曲収差補正による画面中心付近の解像性能低下を抑制できる構成について説明する。
【００２３】
撮影レンズの歪曲収差は、３次収差成分が支配的な場合、像高（画角）の３乗に比例する。従って、この場合、比較的画面中心に近いところから歪曲が発生し始めて、画像周辺に向かい増大する。このようなレンズに画像処理による歪曲収差補正を適用する場合、画面中心付近は既に引き伸ばされて解像性能低下が生じている。
【００２４】
本発明による構成では、先ず第一にレンズ設計時に、低い像高に於ける残存歪曲収差を抑制し、高い像高側の高次の歪曲収差に対しては設計上の制約条件を緩和する。
【００２５】
そのためには、非球面レンズの使用が前提となるが、その設計自由度を５次収差成分以上の高次の歪曲収差の制御に振り向け、低い像高側の歪曲を小さくする設計とする。反面、画面対角端部などの高い像高側に残存する歪曲の絶対量は相対的に多少増える場合もある。
【００２６】
一般に歪曲収差は像高の関数として、
【００２７】
【数２】
2014053700.tif 000004
で表される。
【００２８】
上記歪曲収差量（ｄｉｓｔ）は、一般的に像高に関する非線形関数である。
【００２９】
像高５割以下の歪曲は−３％以下（０％に近くする）にする。これを、縦収差図として、図１に示す。図１に於いて、横軸は次式で示される歪曲収差量［％］、縦軸は像高比率である。
【００３０】
歪曲収差を全体として抑制する設計を行う必要はないため、像高９割の残存歪曲収差は−１０％よりも大きいことは問題ではない。しかしながら、際限なく許容できる訳ではなく、−２０％よりも樽型歪曲収差の度合いが強まると周辺画質低下が著しいため、それよりも少なく抑えることが望ましい。
【００３１】
画像処理による歪曲収差補正、即ち、歪曲収差により高い像高側では画面中心に比較して横倍率が小さくなるのを、メリディオナル方向に画面外側に引き伸ばす処理を行う。その際には、像高５割以下などの低い像高の領域は非常に僅かな引き伸ばし処理に留まるため、画面中心部の解像性能低下の影響は小さくなる。
【００３２】
一方で、高い像高の画面外側の領域では大きく引き伸ばす処理が必要となる。そこでは、引き伸ばしにより解像性能低下が生ずるので、アパーチャ補正／エッジ強調処理などのフィルタ処理により解像性能を補償する。
【００３３】
先に記したように画像処理による歪曲収差補正は、歪曲収差量に応じて、メリディオナル方向に画像を引き伸ばし、補間する処理である。その結果、画像が主に引き伸ばされて解像性能低下が起きるのもメリディオナル方向であって、サジタル方向に引き伸ばされる量は、メリディオナル方向に比較してかなり少ない。
【００３４】
図２に示すように、像高ｒの所の１：点Ａを像高ｒ’の位置に引き伸ばしのため移動したとする場合、移動後の１：点Ａを３：点Ａ’とする。画面上にて、１：点Ａに近接する画素である像高ｒの２：点Ｂとそれに対応する、引き伸ばし後の４：点Ｂ’を考えたとき、１：点Ａと２：点Ｂの為すアジムス角を７：θとする。引き伸ばし前後の、１：点Ａと３：点Ａ’（及び２：点Ｂと４：点Ｂ’）のメリディオナル方向の移動量はｒ−ｒ’である。一方でサジタル方向の１：点Ａ−２：点Ｂの間隔と、引き伸ばし後の３：点−Ａ’４：点Ｂ’の間隔との変化はθ・（ｒ−ｒ’）である。１：点Ａ−２：点Ｂを隣り合う画素であるとし、例えば実際のコンパクトデジタルカメラの条件で計算すると、７：θは、像高８割程度で凡そ０．４〜０．６［ｍｒａｄ］となり、メリディオナル方向の引き伸ばしに対して、サジタル方向の引き伸ばし量は、その０．０４〜０．０６［％］となり殆ど無視できる量である。
【００３５】
従って、引き伸ばしの影響はメリディオナル方向にしか生じないので、メリディオナル方向のみのアジムスに対して、引き伸ばしの影響を補正するためのアパーチャ補正／エッジ強調処理を行うだけで十分である。
【００３６】
更に、引き伸ばし処理により生じる解像性能低下について説明する。
【００３７】
撮像光学系に樽型の歪曲収差を残存させた場合、高い像高に於いては低倍率で結像されるため、より高い空間周波数の像として結像される。一方イメージセンサの画素間隔は一定であるため、引き伸ばし処理ののち、より粗いサンプリング間隔でサンプリングされたことと等価となる。そのため、イメージセンサの限界解像特性が低下する。また、より高い空間周波数の像として結像されることは、光学系のＭＴＦ特性にとっても解像性能低下の原因となる。
【００３８】
本発明では、撮像レンズ系の広角の残存樽型歪曲収差を像高５割まで補正不要の範囲となるよう設計し、像高５割以上に対しては、引き伸ばし処理を行う。更に、像高５割以上の領域に対しては、メリディオナル方向のみにアパーチャ補正／エッジ強調処理を適用するが、その適用量は、歪曲収差補正量から一義的に決まる条件を使用する。
【符号の説明】
【００３９】
ｒ  像高
【図１】
2014053700.tif 000006
【図２】
2014053700.tif 000007