(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像光学系と、
前記撮像光学系の光軸上の何れかの位置に配置された二周波駆動型液晶素子と、
前記撮像光学系を介した被写体像を撮像する撮像素子と、
前記二周波駆動型液晶素子の焦点距離は不変とし、波面の変調によって波面収差ベスト位置を変化させる駆動部と、を有し、
前記駆動部は、
撮影時に、前記二周波駆動型液晶素子を駆動させて状態を変化させる
撮像装置。
【請求項２】
前記撮像素子から出力された画像信号の処理を行う画像信号処理部を有し、
前記画像信号処理部は、
連続で撮像して得られる複数画像を前記画像処理部で合成して被写界深度を拡張した画像を生成する
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記画像信号処理部は、
前記焦点距離の変化に伴う画角変動によって生じる前記複数画像間の被写体像のサイズの違いを画像処理によって正規化してから前記合成を行う
請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記画像信号処理部は、
前記合成を前記複数画像のデータを平均することによって行う
請求項２または３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記画像信号処理部は、
画像の部分毎に前記複数画像間で最もコントラストが高いものを選択して前記合成を行う
請求項２または３に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記撮像光学系は絞りを有し、
前記二周波駆動型液晶素子は、前記絞りに隣接した箇所に配置されている
請求項１から５のいずれか一に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記二周波駆動型液晶素子は、前記撮像光学系全体のパワーよりパワーの強い面に隣接した箇所に配置されている
請求項１から５のいずれか一に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記二周波駆動型液晶素子は赤外線カットフィルター機能を有する
請求項１から７のいずれか一に記載の撮像装置。
【請求項９】
撮像光学系の光軸上の何れかの位置に配置された二周波駆動型液晶素子の焦点距離は不変とし、波面の変調によって波面収差ベスト位置を変化させながら、当該撮像光学系を介した被写体像を連続で撮影し、
撮影して得られる複数画像を合成して被写界深度を拡張した画像を生成する
画像生成方法。
【請求項１０】
撮像装置を有する電子機器であって、
前記撮像装置は、
撮像光学系と、
前記撮像光学系の光軸上の何れかの位置に配置された二周波駆動型液晶素子と、
前記撮像光学系を介した被写体像を撮像する撮像素子と、
前記二周波駆動型液晶素子の焦点距離は不変とし、波面の変調によって波面収差ベスト位置を変化させる駆動部と、を有し、
前記駆動部は、
撮影時に、前記二周波駆動型液晶素子を駆動させて状態を変化させる
電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像素子を用い、光学系を備えたデジタルスチルカメラや携帯電話搭載カメラ、携帯情報端末搭載カメラ、画像検査装置、自動制御用産業カメラ等の撮像装置、画像生成方法、および電子機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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変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。
【０００３】
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。
【０００４】
図１６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。
【０００５】
撮像レンズ装置１においては、図１６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１７（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。
【０００６】
また、位相板（Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ  Ｃｏｄｉｎｇ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｅｌｅｍｅｎｔ）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）。
また、伝達関数を用いたフィルタ処理を行うデジタルカメラの自動露出制御システムが提案されている（たとえば特許文献６参照）。
【非特許文献１】“Wavefront Coding;jointly optimized optical and digital imaging systems”,Edward R.Dowski,Jr.,Robert H.Cormack,Scott D.Sarama.
【非特許文献２】“Wavefront Coding;A modern method of achieving high performance and/or low cost imaging systems”,Edward R.Dowski,Jr.,Gregory E.Johnson.
【特許文献１】ＵＳＰ６，０２１，００５
【特許文献２】ＵＳＰ６，６４２，５０４
【特許文献３】ＵＳＰ６，５２５，３０２
【特許文献４】ＵＳＰ６，０６９，７３８
【特許文献５】特開２００３−２３５７９４号公報
【特許文献６】特開２００４−１５３４９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した各文献にて提案された撮像装置においては、その全ては通常光学系に上述の位相板を挿入した場合のＰＳＦ（Ｐｏｉｎｔ−Ｓｐｒｅａｄ−Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）が一定になっていることが前提であり、ＰＳＦが変化した場合は、その後のカーネルを用いたコンボリューションにより、被写界深度の深い画像を実現することは極めて難しい。
したがって、単焦点でのレンズではともかく、ズーム系やＡＦ系などのレンズでは、その光学設計の精度の高さやそれに伴うコストアップが原因となり採用するには大きな問題を抱えている。
換言すれば、従来の撮像装置においては、適正なコンボリューション演算を行うことができず、ワイド（Ｗｉｄｅ）時やテレ（Ｔｅｌｅ）時のスポット（ＳＰＯＴ）像のズレを引き起こす非点収差、コマ収差、ズーム色収差等の各収差を無くす光学設計が要求される。
しかしながら、これらの収差を無くす光学設計は光学設計の難易度を増し、設計工数の増大、コスト増大、レンズの大型化の問題を引き起こす。
【０００８】
本発明は、光学系を簡単化できて、コスト低減を図ることができ、しかも良好な画像を得ることが可能な撮像装置、画像生成方法、および電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の観点の撮像装置は、撮像光学系と、前記撮像光学系の光軸上の何れかの位置に配置された二周波駆動型液晶素子と、前記撮像光学系を介した被写体像を撮像する撮像素子と、前記二周波駆動型液晶素子の焦点距離は不変とし、波面の変調によって波面収差ベスト位置を変化させる駆動部と、を有し、前記駆動部は、撮影時に、前記二周波駆動型液晶素子を駆動させて状態を変化させる。
【００１２】
好適には、前記撮像素子から出力された画像信号の処理を行う画像信号処理部を有し、前記画像信号処理部は、連続で撮像して得られる複数画像を前記画像処理部で合成して被写界深度を拡張した画像を生成する。
【００１３】
好適には、前記焦点位置の変化に伴う画角変動によって生じる前記複数画像間の被写体像のサイズの違いを画像処理によって正規化してから前記合成を行う。
【００１４】
好適には、前記画像信号処理部は、前記合成を前記複数画像のデータを平均することによって行う。
【００１５】
好適には、前記画像信号処理部は、画像の部分毎に前記複数画像間で最もコントラストが高いものを選択して前記合成を行う。
【００１６】
好適には、前記撮像光学系は絞りを有し、前記二周波駆動液晶素子は、前記絞りに隣接した箇所に配置されている。
【００１７】
好適には、前記二周波駆動液晶素子は、前記撮像光学系全体のパワーよりパワーの強い面に隣接した箇所に配置されている。
【００１８】
好適には、前記二周波駆動液晶素子は赤外線カットフィルター機能を有する。
【００１９】
本発明の第２の観点の画像生成方法は、撮像光学系の光軸上の何れかの位置に配置された二周波駆動型液晶素子の焦点距離は不変とし、波面の変調によって波面収差ベスト位置を変化させながら、当該撮像光学系を介した被写体像を連続で撮影し、撮影して得られる複数画像を合成して被写界深度を拡張した画像を生成する。
【００２０】
本発明の第３の観点は、撮像装置を有する電子機器であって、前記撮像装置は、撮像光学系と、前記撮像光学系の光軸上の何れかの位置に配置された二周波駆動型液晶素子と、前記撮像光学系を介した被写体像を撮像する撮像素子と、前記二周波駆動型液晶素子の焦点距離は不変とし、波面の変調によって波面収差ベスト位置を変化させる駆動部と、を有し、前記駆動部は、撮影時に、前記二周波駆動型液晶素子を駆動させて状態を変化させる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、光学系を簡単化でき、コスト低減を図ることができ、しかも良好な画像を得ることができる利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
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。
【００２３】
図１は、本発明の実施形態に係る撮像装置を適用した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される撮像装置の構成例を示すブロックである。
【００２４】
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。
情報コード読取装置１００は、本体１１０に形成された読取開始スイッチが操作されると、それをトリガとして、情報コードの読み取りを、たとえばデコード判定で可となればそれをデコード結果とする機能を有している。
【００２５】
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コードのような二次元のバーコード１２３が挙げられる。
【００２６】
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。
本実施形態に係る撮像装置２００は、光学系２１０に焦点位置を変化させるために二周波駆動型液晶素子（液晶レンズ）を適用することにより、二周波駆動型液晶素子を持たない通常光学系よりも擬似的に深度を拡張することが可能に構成されている。
【００２７】
本実施形においては、撮像装置２００は、撮影時に二周波駆動型液晶素子を駆動させて状態を変化させる。
具体的には、二周波駆動型液晶素子（レンズ）を駆動させて遠側ピントと近側ピントを瞬時に切り替えることで被写界深度を擬似的に拡張する。
また、撮像装置２００は、二周波駆動型液晶素子の焦点距離を可変としてレンズパワーを変化させて焦点位置を変化させる機能を有する。
すなわち、二周波駆動型液晶素子による遠側ピントと近側ピントの切り替えは液晶レンズの焦点距離を可変とし、レンズパワーの変化によってピント位置を変化させる機能を有する。
また、撮像装置２００は、二周波駆動型液晶素子の焦点距離は不変とし、波面の変調によって波面収差ベスト位置を変化させる機能を有する。
すなわち、二周波駆動型液晶素子による遠側ピントと近側ピントの切り替えは液晶レンズの焦点距離は不変とし、波面の変調によってピント位置を変化させる機能を有する。
【００２８】
そして、撮像装置２００は、連続で撮像して得られる複数画像を合成して被写界深度を拡張した画像を生成する。
撮像装置２００は、焦点位置の変化に伴う画角変動によって生じる複数画像間の被写体像のサイズの違いを画像処理によって正規化してから合成を行う。
撮像装置２００は、合成を前記複数画像のデータを平均することによって行う。
また、撮像装置２００は、画像の部分毎に複数画像間で最もコントラストが高いものを選択して合成を行う。
換言すれば、撮像装置２００は、二周波駆動型液晶素子による遠側ピントと近側ピントの切り替え時に生じる画角変動を座標変換もしくは画像切り出しにより補正する機能を有する。
また、撮像装置２００は、二周波駆動時に、複数枚画像をメモリに格納し、画像処理を行い出力する機能を有する。
【００２９】
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、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、露出制御装置２９０、および駆動部３００を有している。
【００３０】
光学系２１０は、被写体物体ＯＢＪを撮影した像を撮像素子２２０に供給する。
図４は、二周波駆動型液晶素子を用いた光学系の第１の構成例を示す図である。
図５は、二周波駆動型液晶素子を用いた光学系の第２の構成例を示す図である。
【００３１】
第１の構成例の光学系２１０Ａは、図４に示すように、たとえば物体側ＯＢＪＳから順に配置された第１レンズ２１１と、二周波駆動型液晶素子２１２、第２レンズ２１３、第３レンズ２１４、絞り２１５、第４レンズ２１６、および第５レンズ２１７を有する。
第１の構成例の光学系２１０Ａは、二周波駆動型液晶素子２１２をレンズ面のパワーの強い面（図４の例では、第１レンズ２１１の像面側面、または第２レンズ２１３の物体側面）に隣接して配置した例である。
【００３２】
第２の構成例の光学系２２０Ｂは、図５に示すように、たとえば物体側ＯＢＪＳから順に配置された第１レンズ２１１と、第２レンズ１１３、第３レンズ２１４、絞り２１５、二周波駆動型液晶素子２１２、第４レンズ２１６、および第５レンズ２１７を有する。
第２の構成例の光学系２１０Ｂは、二周波駆動型液晶素子２１２を絞り２１５に隣接した位置に配置した例である。
【００３３】
なお、光学系２００Ａおよび光学系２００Ｂにおいて、第４レンズ２１６および第５レンズ２１７は接合され、撮像素子２２０に結像させるための結像レンズとして機能する。
【００３４】
以下に詳述するように、本実施形態においては、二周波駆動型液晶素子２１２の高速な分子配向変化により、遠側ピント、近側ピントとレンズユニットのピント位置を高速に切り替える事で擬似的に深度が拡張された出力を得る。
以下に、二周波駆動型液晶素子２１２について詳述する。
【００３５】
本実施形態に係る撮像装置２００の光学系２１０においては、焦点位置を変化させるために二周波駆動型液晶素子（レンズ）２１２を用いる。
二周波駆動型液晶素子（レンズ）２１２の配置位置としては、図４および図５に示すように、パワーが強いレンズの面に隣接し、もしくは絞り２１５に隣接して位置していることが好ましい。
レンズ面のパワーが強い面に隣接することのメリットは、二周波駆動型液晶素子２１２のパワー変動に伴う主点位置の変動を大きくすることができるからである。レンズ面のパワーが弱い面に隣接することに比べて大きく主点位置が動くということは、換言すればより長い撮影距離をとることができる。
【００３６】
絞り２１５に隣接することのメリットとしては、絞り近傍は最も光線が収束していて二周波駆動型液晶素子２１２の径を小型化することができる。
さらに二周波駆動型液体素子２１２の変動面積が小さくなることから、高速化を図ることが可能となる。
絞り２１５は最も光線が収束しているため二周波駆動型液晶素子２１２の径を小型化することでできることはもとより、さらに好適にはＩＲ効果を有することでＩＲカットガラスを別途用意する必要がなくなりコスト削減に繋がる。ＩＲ（赤外）カット機能を二周波駆動型液晶素子２１２に内包し、二周波駆動型液晶素子２１２を多機能化することもできる。ＩＲの角度特性の影響を小さくするには、絞りに隣接することが好ましい。
【００３７】
図６は、二周波駆動型液晶素子（レンズ）のパワーの時間変化を示している。
【００３８】
液晶素子（レンズ）は、電圧を加えて液晶分子の配向状態を制御することで、それぞれ焦点距離を可変にすることができる。
中でも、二周波駆動型液晶素子（レンズ）の動作原理は、電界で液晶の配向の向きを変えることにより、二周波駆動型液晶素子２１２を凸レンズ→平板→凹レンズと変化できる。
ここで、二周波駆動型液晶素子２１２は、印加電圧の周波数によって誘電率異方性の極性を反転できるため、高周波電界と低周波電界とを交互に印加することにより、液晶の向きを変化できる。
したがって、電界を常に印加した状態で、実効的な屈折率を変化できて、電界を増加させるだけで、応答速度を高速化できる。
さらに実際には、図６に示すとおり電界としては２値だが、レンズのパワーとしては２値の値とならずに連続となる。
【００３９】
図７は、焦点距離変化に伴う画角変動について説明するための図である。
【００４０】
図７に示すように、二周波駆動型液晶素子（レンズ）２１２のパワーが変化すると、それに伴いレンズ系の焦点距離が変わり、画角が変動する。
画角が変動すると信号が重複しボケた画となってしまう。動画においては、もちろんのこと静止画でもフレームレートが遅いと画角の異なった画像が重複しピントの甘い画となってしまう。
【００４１】
図８（Ａ）〜(Ｃ)は、画角変動についてさらに詳細に説明するための図であって、図８(Ａ)は至近距離の人物にピントが合っている状態を示し、図８(Ｂ)は中距離の樹木にピントが合っている状態を示し、図８(Ｃ)は遠距離の山にピントが合っている状態を示している。
【００４２】
二周波駆動型液晶素子（レンズ）２１２を切り替え駆動させながら連続撮影すると、それぞれの画像において画面内でピントの合っている部分が図８（Ａ）〜（Ｃ）に示すように異なってくる。
ピント位置が至近側にある場合は図８（Ａ）に示すように、手前にいる人物Ｈにピントが合い、それより遠い樹木Ｔや山Ｍはボケた画像となる。
しかし、二周波駆動型液晶素子（レンズ）２１２の変化によってピント位置が中距離や遠距離に変わると、図８（Ｂ）や（Ｃ）に示すように、それぞれ樹木や山に最もピントが合って、それ以外の距離の被写体はボケた画像となる。
そこで、図８（Ａ）〜（Ｃ）中に破線ＢＬで示したように、画面内をブロック分割しておき、ブロック毎にそれぞれのピントが合ったタイミングの画像のものを使って、画面全体にピントの合った、即ち深度の深い画像を得ることができる。
【００４３】
具体的には、図８において、たとえば人物Ｈが写っているブロックにおいて各画像のピントの状態を例えばコントラスト値で比較すると、図８（Ａ）の場合が最も高く、図８（Ｂ）、（Ｃ）の順に低くなっていくことになる。
よって、人物Ｈが写っているブロックは図８（Ａ）の画像のものを用いる。
次に樹木Ｔが写っているブロックについてみると図８（Ｂ）の画像のものが最もコントラストが高く、図８（Ａ）、（Ｃ）ではそれらより低くなる。
よって、樹木が写っているブロックでは図８（Ｂ）の画像のものを採用する。
同様に、山Ｍが写っているブロックにおいては、図８（Ｃ）の画像のものが最もコントラストが高く、図８（Ｂ）、（Ａ）の順に低くなっていくことになる。
よって、山Ｍが写っているブロックは図８（Ｃ）の画像のものを用いる。
このようにブロック毎にコントラストが最も高くなるタイミングの画像のものを選択して合体させると、結果として深度の深い画像を得られることになる。
【００４４】
この手法においても、焦点距離の変化に伴う画角変動がある場合は、画像処理によって像サイズの正規化を行う必要があることは同様である。
【００４５】
図９、焦点距離変化に伴う画角変動を補正した状態を示す図である。
図９において、実線が補正後、破線が補正前の画像を示している。
【００４６】
図７に示すような状態を防ぐため、図９において、たとえば座標変換の方法を用いて、常に同じ画角となるように画像処理を加えている。
他の方法としては、たとえば画角変動が小さくピクセルシフトしないような場合は、複数枚の画像を平均化する方法も採用することが可能である。
【００４７】
図１０（Ａ）〜（Ｃ）は、二周波駆動型液晶素子（レンズ）によるピント調整を説明するための図である。
図１０（Ａ）は低もしくは高周波におけるピント状態を示し、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）と異なるピントを焦点距離を変化させるよう形状を変化させた場合を示し、図１０（Ｃ）は図１０（Ａ）と異なるピントを波面収差ベスト位置が変化するように形状を変化させた場合を示している。
【００４８】
ここで、図１０（Ａ）〜（Ｃ）に関連付けて二周波駆動型液晶素子（レンズ）の変化方法を説明する。
１つ目は、図１０（Ｂ）に示すように、二周波駆動型液晶素子（レンズ）２１２の焦点距離を変えながらピント位置を調整する場合である。この方法のメリットとしては、ダイナミックにピント位置を変化させることができる。ただし、大きな変化に伴う画角の変動がある。
２つ目として、図１０（Ｃ）に示すように、焦点距離（曲率）を変えずに、収差をコントロールすることでピント位置を調整する方法である。この方法のメリットは、画角の変動が少ない。ただし、大きな変化が困難なため、ピント調整の幅が狭く撮影距離が図１０（Ｂ）に比べて伸びない。
【００４９】
図１１（Ａ）は、二周波駆動型液晶素子（レンズ）の配置位置による主点位置変動を説明するための図である。
【００５０】
次に、二周波駆動型液晶素子（レンズ）の配置位置による主点位置変動について、図１１（Ａ）および（Ｂ）に関連付けて説明する。
【００５１】
図１１（Ａ）は、主点位置の変動を大きくするためにレンズのパワーが強い面に隣接するように配置した図となっている。
この場合、二周波駆動型液晶素子（レンズ）２１２のパワー変動による大きな主点位置変動効果が期待できる。その反面、感度が強く収差も大きく発生してしまうため、十分な収差補正を行わないと性能が著しく劣化してしまう。
【００５２】
図１１（Ｂ）は、レンズのパワーが弱い面に隣接するように配置した図となっている。  この場合、感度が弱く二周波駆動型液晶素子（レンズ）２１２の変動に伴う収差発生は抑えることができる。ただし、主点位置の変化も小さくなってしまうため、ピント調整量としては図１１（Ａ）に比べて減ってしまう。
【００５３】
本実施形態においては、画像処理装置２４０において、連続して撮影した画像の合成処理や補正処理を行う。
【００５４】
撮像素子２２０は、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。
【００５５】
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、およびアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ２３２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。
【００５６】
画像信号処理部の一部を構成する画像処理装置２４０は、前段のＡＦＥ１３０からくる撮像画像のデジタル信号を入力し、連続で撮像して得られる複数画像を合成して被写界深度を拡張した画像を生成する機能を有する。
画像処理置２４０は、焦点位置の変化に伴う画角変動によって生じる複数画像間の被写体像のサイズの違いを画像処理によって正規化してから合成を行う。
画像処理装置２４０は、合成を前記複数画像のデータを平均することによって行う。
また、画像処理装置２４０は、画像の部分毎に複数画像間で最もコントラストが高いものを選択して合成を行う。
換言すれば、画像処理装置２４０は、二周波駆動型液晶素子２１２による遠側ピントと近側ピントの切り替え時に生じる画角変動を座標変換もしくは画像切り出しにより補正する機能を有する。
画像処理装置２４０の処理については後でさらに詳述する。
【００５７】
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。画像モニタリング装置２７０は、カメラ信号処理部２５０の制御の下、カラー出力あるいは白黒出力が可能である。
【００５８】
カメラ信号処理部２５０は、露出制御装置２９０と駆動部３００との協働により、駆動部３００による二周波駆動型液晶素子２１２による遠側ピントと近側ピントの切り替え支持を行う。
また、カメラ信号処理部２５０は、二周波駆動時に、１周期分の複数枚画像をメモリに格納し、画像処理を行い出力する機能を有する。
【００５９】
露出制御装置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、カメラ信号処理部２５０等を制御し、システム全体の調停制御を司るものである。
【００６０】
駆動部３００は、カメラ信号処理部２５０の指示に応じて二周波駆動型液晶素子２１２
遠側ピントと近側ピントの切り替えは液晶レンズの焦点距離を可変とし、レンズパワーの変化によってピント位置を変化させる機能を有する。
また、駆動部３００は、カメラ信号処理部２５０の指示に応じて二周波駆動型液晶素子の焦点距離は不変とし、波面の変調によって波面収差ベスト位置を変化させる機能を有する。
すなわち、駆動部３００は、カメラ信号処理部２５０の指示に応じて二周波駆動型液晶素子２１２による遠側ピントと近側ピントの切り替えは液晶レンズの焦点距離は不変とし、波面の変調によってピント位置を変化させる機能を有する。
【００６１】
以下、本実施形態の撮像装置の具体的な処理について体的に説明する。
【００６２】
まず、図１の情報コード読取装置（バーコードリーダ）等のマシンビジョン用のカメラに応用する場合の処理について説明する。
【００６３】
図１２は、二周波駆動型液晶素子（レンズ）を用いて、たとえば図１の情報コード読取装置（バーコードリーダ）等のマシンビジョン用のカメラに応用する場合の処理のフローを示す図である。
【００６４】
まず、カメラ信号処理部２５０の制御の下、駆動部３００により二周波駆動型液晶素子（レンズ）２１２の状態を初期状態とする（ＳＴ１）。この初期状態において、情報コード等の画像を取得する（ＳＴ２）。
ここで、デコード判定を行う（ＳＴ３）。ステップＳＴ３において、デコード判定が可能な場合（判定ＯＫ）には判定結果が正しいものとして（ＳＴ４）、処理を終了する。
ステップＳＴ３において、デコード判定が良好でない（ＮＧ）と判定した場合には、カメラ信号処理部２５０の制御の下、駆動部３００により二周波駆動型液晶素子（レンズ）２１２の状態を高周波状態とする（ＳＴ５）。この初期状態において、情報コード等の画像を取得する（ＳＴ６）。
ここで、デコード判定を行う（ＳＴ７）。ステップＳＴ７において、デコード判定が可能な場合（判定ＯＫ）には判定結果が正しいものとして（ＳＴ４）、処理を終了する。
ステップＳＴ７において、デコード判定が良好でない（ＮＧ）と判定した場合には、カメラ信号処理部２５０の制御の下、駆動部３００により二周波駆動型液晶素子（レンズ）２１２の状態を低周波状態とする（ＳＴ８）。この初期状態において、情報コード等の画像を取得する（ＳＴ９）。
ここで、デコード判定を行う（ＳＴ１０）。ステップＳＴ１０において、デコード判定が可能な場合（判定ＯＫ）には判定結果が正しいものとして（ＳＴ４）、処理を終了する。
ステップＳＴ７において、デコード判定が良好でない（ＮＧ）と判定した場合には、判定結果が正しくないものとして（ＳＴ１１）、処理を終了する。
【００６５】
次に、二周波駆動型液晶レンズを用いて、複数枚の画像を撮影してそれらを合成することによって深度を拡張する処理について説明する。
【００６６】
図１３は、二周波駆動型液晶レンズを用いて、複数枚の画像を撮影してそれらを合成することによって深度を拡張する処理のフローを示す図である。
【００６７】
この方法での撮影を開始するにあたって、カメラ信号処理部２５０の制御の下、駆動部３００により二周波駆動型液晶素子（レンズ）２１２の状態を初期状態とした後（ＳＴ２１）、高周波状態と低周波状態を交互の高速で周期的に繰り返すように駆動しておく（ＳＴ２２）。
その状態で画像の取り込み（ＳＴ２３）、およびメモリへの一時保管を予め決められた回数分（このフローではｎ回）行う（ＳＴ２４）。
決められた枚数の画像を取得したら、二周波駆動型液晶素子（レンズ）２１２の駆動を停止し（ＳＴ２５）、保管している画像の合成を行って（ＳＴ２６）、被写界深度の深い画像を生成し、一連の処理を終了する。
【００６８】
図１４（Ａ）および（Ｂ）は、図１３の処理を行う際の二周波駆動型液晶素子（レンズ）切り替えと画像取得の周期の関係を示す図である。
【００６９】
図１４（Ａ）は、二周波駆動型液晶素子（レンズ）の状態の切り替え周期に対して画像取得の周波が非常に短い場合の例を示している。
このとき、二周波駆動型液晶素子（レンズ）２１２の切り替えの最低でも１／２周期以上は連続して画像を取り込み、できれば液晶レンズ切り替えによってレンズパワーが最大になるタイミングと最低になるタイミングに画像取り込みのタイミングをシンクロさせると、最大限に深度を拡張することができることになる。
【００７０】
図１４（Ｂ）は、二周波駆動型液晶素子（レンズ）２１２の状態の切り替え周期に対して画像取得の周期が比較的長い場合の例を示している。
図１４（Ｂ）の場合のように、二周波駆動型液晶素子（レンズ）２１２の状態の変化を順当に捉えて画像を取得していくことはできていないが、ある程度の回数以上を取得すれば様様な状態を満遍なく取り込むことが可能である。
もちろん、上記同様タイミングを意図的に操作することで、より効率の良い深度拡張が実現可能である。
【００７１】
ここではｎ＝５（５枚の画像の取り込み・合成の場合を例に説明したが、図１４（Ａ），（Ｂ）の何れの場合でも取り込み画像枚数の多いほうが高い画質が期待できることは言うまでもない。
【００７２】
ただし、取り込み画像枚数を増やしていくと、取り込みに時間を要するため、その間に被写体が動く、あるいは手ブレが発生するといった場合がある。また、その後の画像合成に要する時間も増大することになる。
そこで、取り込み・合成を行う画像枚数はこれらの条件を考慮して決定する必要がある。
【００７３】
図１５は、焦点距離の変化に伴う画角変動の補正方法の具体例を示す図である。
【００７４】
二周波駆動型液晶素子（レンズ）２１２のパワーが変化すると、それに伴いレンズ系の焦点距離が変わり、画角が変化する。
このことは、すなわち図９に示したように被写体の像倍率が微妙に変化することになる。画像合成のためには、この像倍率を正規化して被写体像を同じ大きさにしておき必要がある。ここでは、その一手法の考え方を示す。
【００７５】
（正規化目標に対する倍率を求める）
二周波駆動型液晶素子（レンズ）２１２を高周波状態と低周波状態で交互に周期的に切り替え駆動しながら撮影した複数枚（フレーム）の画像から、正規化する目標となる像サイズの画像を選択する。
図１５では実線で示した像を目標にするものとする。
【００７６】
この像に対して、他のフレームの画像の倍率を求める。像の任意の特徴点に着目し、その特徴点が他のフレームでどこに位置しているかを検出し、これらの光軸中心からの距離の比を求めることで倍率を求めることができる。
【００７７】
焦点距離の変動による各点の変化は、光軸中心の放射方向において等倍率となる。
倍率を算出するための特徴点は、光軸付近より周辺部のほうが算出の分解能を高めることができる。
また、特徴点は、一箇所ではなくなるべく多くの点を用いたほうが、信頼性を向上させることができる。
【００７８】
具体的に図１５に関連付けて説明すると、二周波駆動型液晶素子（レンズ）２１２を駆動させながら撮影した複数枚（フレーム）の画像から正規化する目標画像を選択したものが実線で示した像Ｉｓとなる。
それに対して焦点距離が短い、すなわち像倍率の高い状態で撮影された画像を重ねて表したものが破線で示したＩ１、逆に焦点距離が長い、すなわち像倍率の低い状態で撮影された画像を重ねて表したものが破線で示したＩ２となる。
【００７９】
図１５に示すように、光軸からＳの距離にある特徴点の位置の変化は、Ｉ１ではＶ１、Ｉ２ではＶ２となる。これらより各倍率は以下のように求められる。
【００８０】
［数１］
正規化目標画像Ｉｓに対するＩ１画像の倍率＝（Ｓ＋Ｖ1）／Ｓ
正規化目標画像Ｉｓに対するＩ２画像の倍率＝（Ｓ＋Ｖ２）／Ｓ
【００８１】
（像倍率の異なる各画像の正規化を行う）
画像合成を行うために、求めた倍率を用いて像倍率の正規化を行う。
正規化は、画像全体に対して光軸座標を原点として上記倍率の逆数を乗じる座標変換を行うことで実施できる。すなわち光軸座標を（Ｘ０、Ｙ０）、正規化語の座標を（Ｘｓ、Ｙｓ）とすると、次にようになる。
【００８２】
［数２］
Ｉ１の画像の場合
Ｘｓ＝Ｘ０＋（Ｘ−Ｘ０）＊Ｓ／（Ｓ＋Ｖ１）
Ｙｓ＝Ｘ０＋（Ｙ−Ｙ０）＊Ｓ／（Ｓ＋Ｖ１）
【００８３】
［数３］
Ｉ２の画像の場合
Ｘｓ＝Ｘ０＋（Ｘ−Ｘ０）＊Ｓ／（Ｓ−Ｖ２）
Ｙｓ＝Ｘ０＋（Ｙ−Ｙ０）＊Ｓ／（Ｓ−Ｖ２）
【００８４】
ここでは、二周波駆動型液晶素子（レンズ）２１２の変化に対する画角変動量や画像取り込みタイミングが把握できない場合を想定して取得画像の比較によって倍率の実測および正規化の方法を示したが、本発明はこの正規化の方法以外の方法を採用可能である。
二周波駆動型液晶素子（レンズ）２１２の変化の過渡状態に対応する画角変動量が正確に分かっていて、かつそれに対応した画像取り込みタイミングも把握できていれば、上記の倍率算出の手順は不要で取得画像を各画角変動量の逆数に合わせて倍率を合わせて（いわゆるデジタルズーム処理）をやることで、画像の大きさの正規化ができる。
何れの場合も、個別に正確な光軸座標が分かっている必要がある。
【００８５】
以上説明したように、本実施形態の撮像装置２００は、光学系２１０に焦点位置を変化させるために二周波駆動型液晶素子（液晶レンズ）を適用し、二周波駆動型液晶素子（レンズ）を駆動させて遠側ピントと近側ピントを瞬時に切り替えることで被写界深度を擬似的に拡張させる機能を有し、画像処理装置２４０は、連続で撮像して得られる複数画像を合成して被写界深度を拡張した画像を生成する機能を含み焦点位置の変化に伴う画角変動によって生じる複数画像間の被写体像のサイズの違いを画像処理によって正規化してから合成を行い、この合成を記複数画像のデータを平均することによって行い、あるいは画像の部分毎に複数画像間で最もコントラストが高いものを選択して合成を行うことから、以下の効果を得ることができる。
【００８６】
光速応答が可能な二周波駆動型液晶素子（レンズ）を用いて焦点位置を変化させて得られた画像のサイズ合わせ、および合成を行うことで、擬似的に深度の拡張を実現することができ、これによって、復元処理の演算は不要で、かつ大きな深度幅を実現することが可能となる。
そして、光学系を簡単化でき、コスト低減を図ることができ、しかも良好な復元画像を得ることが可能となる利点がある。
【００８７】
そして、本実施形態に係る撮像装置は、情報コード読取装置に適用した場合を例に説明したが、本撮像装置は、ジタルスチルカメラや携帯電話搭載カメラ、携帯情報端末搭載カメラ、画像検査装置、自動制御用産業カメラ等の電子機器の撮像装置として適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の実施形態に係る情報コード読取装置の一例を示す外観図である。
【図２】情報コードの例を示す図である。
【図３】図１の情報コード読取装置に適用される撮像装置の構成例を示すブロックである。
【図４】二周波駆動型液晶素子を用いた光学系の第１の構成例を示す図である。
【図５】二周波駆動型液晶素子を用いた光学系の第２の構成例を示す図である。
【図６】二周波駆動型液晶素子（レンズ）のパワーの時間変化を示している。
【図７】焦点距離変化に伴う画角変動について説明するための図である。
【図８】画角変動についてさらに詳細に説明するための図であって、図８(Ａ)は至近距離の人物にピントが合っている状態を、図８(Ｂ)は中距離の樹木にピントが合っている状態を、図８(Ｃ)は遠距離の山にピントが合っている状態を示す図である。
【図９】焦点距離変化に伴う画角変動を補正した状態を示す図である。
【図１０】二周波駆動型液晶素子（レンズ）によるピント調整を説明するための図である。
【図１１】二周波駆動型液晶素子（レンズ）の配置位置による主点位置変動を説明するための図である。
【図１２】二周波駆動型液晶素子（レンズ）を用いて、たとえば図１の情報コード読取装置（バーコードリーダ）等のマシンビジョン用のカメラに応用する場合の処理のフローを示す図である。
【図１３】二周波駆動型液晶レンズを用いて、複数枚の画像を撮影してそれらを合成することによって深度を拡張する処理のフローを示す図である。
【図１４】図１３の処理を行う際の二周波駆動型液晶素子（レンズ）切り替えと画像取得の周期の関係を示す図である。
【図１５】焦点距離の変化に伴う画角変動の補正方法の具体例を示す図である。
【図１６】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。
【図１７】図１６の撮像レンズ装置の撮像素子の受光面でのスポット像を示す図であって、（Ａ）は焦点が０．２ｍｍずれた場合（Ｄｅｆｏｃｕｓ＝０．２ｍｍ）、（Ｂ）は合焦点の場合（Ｂｅｓｔ  ｆｏｃｕｓ）、（Ｃ）は焦点が−０．２ｍｍずれた場合（Ｄｅｆｏｃｕｓ＝−０．２ｍｍ）の各スポット像を示す図である。
【符号の説明】
【００８９】
１００・・・情報コード読取装置、１２１・・・情報コード、２００・・・撮像装置、２１０，２１０Ａ，２１０Ｂ・・・光学系、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・・・露出制御装置、３００・・・駆動部、２１１・・・第１レンズ、２１２・・・二周波駆動型液晶素子（レンズ）、２１３・・・第２レンズ、２１４・・・第３レンズ、２１５・・・絞り、２１６・・・第４レンズ、２１７・・・第５レンズ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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