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JP2010102230A - カメラレンズアダプタ及びカメラシステム - Google Patents

カメラレンズアダプタ及びカメラシステム Download PDF

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Abstract

【課題】安価に画像合成カメラを提供できるようにする。
【解決手段】レンズ側取り付け用マウント部33は、交換レンズ21のレンズ側マウント部31に装着され、ボディ側取り付け用マウント部34は、カメラボディ22のボディ側マウント部32に装着される。レンズ側取り付け用マウント部33とボディ側取り付け用マウント部34との間に設けられるMLA12は、交換レンズ21内の撮像レンズ11の背後に2次元状に配列された複数のマイクロレンズMLを有し、リレーレンズ42はMLA12とボディ側取り付け用マウント部34との間に配置され、ボディ側取り付け用マウント部34とボディ側マウント部32とが装着されたとき、MLA12の背後の所定位置とカメラボディ22内の撮像素子13の撮像面とを共役にする。本発明は、交換レンズとカメラボディからなるカメラシステムに適用できる。
【選択図】図4

Description

本発明は、カメラレンズアダプタ及びカメラシステムに関する。
複数のマイクロレンズを2次元状に配列したマイクロレンズアレイと、光電変換素子を2次元状に配列した光電変換素子アレイとを撮影光学系の背後に順次配列し、任意の奥行き位置(撮影光学系の光軸方向)に焦点の合った画像を合成するようにした画像合成カメラが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2007−4471号公報
従来、このような画像合成カメラは、専用のカメラとして考えられており、製造する場合は高価なものとなる。
そこで、本発明は、安価に画像合成カメラを提供することを目的とする。
本発明のカメラレンズアダプタは、着脱可能な交換レンズを有する撮像装置に装着されるカメラレンズアダプタにおいて、前記交換レンズに着脱自在に装着されるレンズ側装着手段と、前記撮像装置に着脱自在に装着されるカメラ側装着手段と、前記レンズ側装着手段と前記カメラ側装着手段との間に設けられ、2次元状に配列された複数のレンズを有する光学素子と、前記光学素子と前記カメラ側装着手段との間に配置され、前記カメラ側装着手段が前記撮像装置に装着されたとき、前記光学素子の背後の所定位置と前記撮像装置の結像面とを共役にするリレーレンズとを備える。
本発明によれば、安価に画像合成カメラを構成することができる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明を適用した光学系の概要を説明するための図である。
図1に示すように、被写体Hの像が撮像レンズ(対物レンズ)11によってマイクロレンズアレイ(以下、MLAという)12の表面に結像し、このMLA12の背後に撮像素子13が配置される。このとき、撮像素子13の撮像面は、MLA12を構成する各マイクロレンズMLを介して撮像レンズ11の射出瞳と略共役となっている。
マイクロレンズMLと撮像素子13の撮像面との位置関係は、例えば、マイクロレンズMLの焦点距離fに撮像素子13の撮像面がある場合もあるが、重要なのは、図2で後述するように、撮像素子13の撮像面上で各マイクロレンズMLによる撮像レンズ11の射出瞳の像(ML領域と等価)が重ならないようにすることである。
なお、本実施の形態では、撮像素子13の撮像面と撮像レンズ11の射出瞳とを略共役にした構成について説明するが、この共役関係は正確でなくともよく、また、MLA12の表面と撮像レンズ11の射出瞳とを共役にした構成を採用してもよい。また、図1に示すように、撮像レンズ11の射出瞳の位置は、絞り14により調整された位置となる。
MLA12を構成する複数のマイクロレンズMLは2次元状にならべられている。なお、図1の例では、説明の簡略化のため、3×3個のマイクロレンズMLを想定し、そのうちの縦方向の3個のマイクロレンズMLが図示されている。実際のマイクロレンズMLの数は、撮像素子13により撮像される画像の分解能に関連しているので、必要な分解能に応じて適宜設定される。
撮像素子13は、例えば、CCD(Charge Coupled Device)センサやCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサなどであり、MLA12の各マイクロレンズMLを通過した光を受光するように、各マイクロレンズMLに対応して所定数の画素が割り当てられている。1つのマイクロレンズMLがカバーする画素の数は、例えば3×3個であり、個々のマイクロレンズMLを透過した光束をそれらの画素で受光する。
以上のような構成にすることで、撮像素子13の撮像面上には、MLA12の各マイクロレンズMLによって撮像レンズ11の射出瞳の像が複数形成される。以下、撮像素子13の撮像面において、各マイクロレンズMLで結像した像のできる領域を、ML領域と称する。
図2は、撮像素子13の撮像面上のML領域(図中の点線)の例を示す図である。
図2においては、格子状に配列された15×15個の四角のそれぞれが、撮像素子13撮像面上の各画素を表し、点線で描いた3×3個の円が各マイクロレンズMLによるML領域、つまり撮像レンズ11の瞳像を表す。すなわち、図2の例では、MLA12を構成する9個のマイクロレンズMLによって結像された像のそれぞれが、撮像素子13の撮像面上の5×5個からなる画素群上にML領域を形成している。
そして、これらの9個のML領域より得られる画像信号を用いて、撮像素子13の撮像面に入射した光が、MLA12を構成する複数のマイクロレンズMLのうちのどのマイクロレンズMLに入射し、撮像レンズ11の瞳のどの位置を通ってきたかを求めることが可能となる。すなわち、幾何学的に光線を考えると、光線が像面(MLA12の位置)に入射する位置と、撮像レンズ11の射出瞳を出る位置とが分かるため、任意の像面に入射する光線を特定できる。これにより、光軸上の任意の像面での光の集光に関する演算が可能となり、任意の像面での像の画像を取得することができる。
次に、図3を参照して、任意の像面における像の画像の演算方法の詳細について説明する。
図3に示すように、撮像レンズ11の瞳上の位置を示す座標を点P(μ,ν)とし、MLA12上の位置を示す座標を点Q(x,y)とする。上述したように、任意の像面での像の画像を取得するには、特定の被写体距離からの光線が通る瞳上の点Pと、特定の被写体距離と共役になるMLA12上の点Qだけが必要となるため、図3の例では撮像レンズ11の瞳と、MLA12の位置だけを図示している。
ところで、光線の通る瞳上での点PとMLA12上での点Qは、撮像素子13の撮像面上の各ML領域から得られる信号によって求められるので、実際は、それらの座標の値は撮像素子13の画素の数に応じて離散的に得られるものである。しかし、本実施の形態においては、説明を分かり易くするために、はじめに、瞳上の点PとMLA12上の点Qを連続的な座標として取得できるものと仮定して説明する。
まず、図3に示すような、瞳上の点P(μ,ν)を通り、かつMLA12上の点Q(x,y)を通る光線のエネルギー密度を、下記の式(1)のように定義する。
i(μ,ν,x,y) ・・・(1)
次に、図3に示すように、像面から光軸方向にzだけデフォーカスした任意の像面(以下、デフォーカス面ともいう)について考える。このデフォーカス面上の位置を示す座標を点R(x',y')とする。また、このデフォーカス面に到達する光線のエネルギー密度を、下記の式(2)のように定義する。
d(μ,ν,x',y') ・・・(2)
そして、図3に示すように、点Pを通り、点Rを経由して点Qに到達する光線について考える。この光線のエネルギー密度に変化がないと考えると、式(1)と式(2)から、下記の式(3)の関係が得られる。
d(μ,ν,x',y')=i(μ,ν,x,y) ・・・(3)
また、このとき、点Q(x,y)と、点R(x',y')を、瞳の点P(μ,ν)を通過した一本の光線が通るとした場合、瞳上の点Pの座標をNAとして考えると、点Q(x,y)と、点R(x',y')について、次の式(4),(5)の関係を得る。なお、瞳上の点Pの座標をNAとして考える理由は、撮像レンズ11の焦点距離を1に規格化するためである。
x'=x+z×μ ・・・(4)
y'=y+z×ν ・・・(5)
ここで求めたいのは、デフォーカス面上での光のエネルギー分布であり、そのエネルギー分布をIdとする。このエネルギー分布Idの計算方法であるが、式(2)として定義したid(μ,ν,x',y')を、μ,νのそれぞれで積分すればよいので、下記の式(6)により求めることができる。
Figure 2010102230
また、実際に得ることのできる値は、式(1)として定義したi(μ,ν,x,y)であるので、式(3),(4),(5)を、式(6)に代入すると、下記の式(7)が得られる。
Figure 2010102230
すなわち、任意の像面であるデフォーカス面での光のエネルギー分布は、瞳上の点Pを通り、かつMLA12上の点Qを通る光線のエネルギー密度から、式(7)を計算することにより求めることが可能となる。
以上、瞳上の点P(μ,ν)とMLA12上の点Q(x,y)を連続的な座標として取得できるものと仮定した場合について説明した。次に、実際に合わせて、瞳面上の点P(μ,ν)とMLA12上の点Q(x,y)が離散的に得られる場合について説明する。
ここで、瞳面上の点PとMLA12上の点Qは離散的な変数となるので、x,y,μ,νの各点の座標を表す変数は、整数i,j,k,lを用いて、次の式(8)のように表すことができる。
x=Δx×i,
y=Δy×j,
μ=Δμ×k,
ν=Δν×l ・・・(8)
なお、式(8)のx,yに関しては、上記の式(7)では、x'−z×μ,y'−z×νの値が、それぞれx,yの値に対応するので、これから、i,jを求める必要がある。ここでは、その簡単な例として、下記の式(9),(10)に示すように、整数のみを扱う関数であるint関数を用いて小数点以下を切り捨てることで、整数i,jを計算するようにする。
i=int((x'−z×Δμ×k)/Δx)・・・(9)
j=int((y'− z×Δν×l)/Δx)・・・(10)
一方、式(8)のμ,νに関しては、そのまま式(7)に代入すればよい。
このようにして、式(8),(9),(10)を、式(7)に代入することで、式(7)を、下記の式(11)のように表すことができる。
Figure 2010102230
すなわち、この式(11)の各変数に、撮像素子13の撮像面上の各ML領域より得られる信号から求められる情報を代入することで、像面から光軸方向にzだけデフォーカスしたデフォーカス面(任意の像面)での像に関する情報を計算することが可能となる。
以上のように、実際には、瞳面上の点P(μ,ν)とMLA12上の点Q(x,y)が離散的に得られる場合の説明で導かれた式(11)によって、特定の被写体距離を光軸方向にずらしたときの画像を求めることが可能となる。
次に、上述した光学系の原理を、レンズ交換可能なカメラシステムに適用した場合について説明する。
図4は、本発明を適用したカメラシステムの光学系の構成を示す図である。
図4に示すように、カメラシステムは、交換レンズ21、カメラボディ22、及びカメラレンズアダプタ23から構成される。交換レンズ21とカメラボディ22とは、それぞれのマウント部の規格が一致しているため、直接装着することが可能であるが、図4のカメラシステムでは、交換レンズ21とカメラボディ22との間に本発明の一実施形態に係るカメラレンズアダプタ23が取り付けられている。
交換レンズ21は、撮像レンズ11及びレンズ側マウント部31を備えたレンズ鏡筒である。撮像レンズ11は、交換レンズ21の鏡筒内部に保持され、合焦される被写体Hまでの距離に応じて、不図示のレンズ枠やアクチュエータ等による移動手段により、光軸方向に移動可能に設けられている。
カメラボディ22は、撮像素子13及びボディ側マウント部32を有している。カメラボディ22と交換レンズ21とは、レンズ側マウント部31とボディ側マウント部32によって一体となる。カメラボディ22には、撮像素子13から出力される画像信号に対して所定の画像処理を実行する図不示の画像処理回路等が設けられているが、その詳細については後述する。
このように、一般的なカメラシステムにおいては、交換レンズ21をカメラボディ22に直接装着することで、交換レンズ21内の撮像レンズ11による被写体Hの像が、カメラボディ22内の撮像素子13の撮像面に結像され、撮像される。
本実施の形態では、図4のカメラシステムに示すように、交換レンズ21とカメラボディ22との間に、カメラレンズアダプタ23を介挿している。
このカメラレンズアダプタ23は、レンズ側取り付け用マウント部33と、ボディ側取り付け用マウント部34を有している。レンズ側取り付け用マウント部33は、カメラレンズアダプタ23の一方の端部に設けられ、カメラボディ22のボディ側マウント部32と同様の形状となっている。したがって、このレンズ側取り付け用マウント部33には、交換レンズ21のレンズ側マウント部31が着脱可能である。
また、ボディ側取り付け用マウント部34は、レンズ側取り付け用マウント部33とは反対側の端部に設けられ、交換レンズ21のレンズ側マウント部31と同様の形状となっている。したがって、このボディ側取り付け用マウント部34には、カメラボディ22のボディ側マウント部32が着脱可能である。
図4に示したように、カメラレンズアダプタ23の内部には、フィールドレンズ41、MLA12、リレーレンズ42が設けられている。カメラレンズアダプタ23が、交換レンズ21とカメラボディ22との間に装着されることにより、MLA12の各マイクロレンズMLの焦点の位置がリレーレンズ42により撮像素子13の撮像面と共役になる。その結果、図1で示した光学系と同じ関係が成立することになる。
また、カメラレンズアダプタ23の内部に設けたフィールドレンズ41は、交換レンズ21内の撮像レンズ11とMLA12との間に配置することで、像高の高い位置に配置されたマイクロレンズMLに入射する光束の角度を抑えている。したがって、フィールドレンズ41は必ずしも必要ではないが、配置するのが好ましい。
以上のように、図4のカメラシステムにおいては、図1の光学系と同様に、交換レンズ21内に設けられた撮像レンズ11により所定の位置にある被写体HがMLA12を構成する各マイクロレンズMLの頂点位置を含む平面内に結像し、MLA12の背後の各マイクロレンズMLの焦点位置を含む面が撮像レンズ11の射出瞳と共役になる。カメラボディ22内の撮像素子13の撮像面は、リレーレンズ42によって各マイクロレンズMLの焦点位置を含む面と共役になる。すなわち、カメラボディ22内の撮像素子13の撮像面は、カメラレンズアダプタ23内のフィールドレンズ41、MLA12の各マイクロレンズML、及びリレーレンズ42を介して、撮像レンズ11の射出瞳と略共役となっている。
次に、図4のカメラボディ22内の撮像素子13から出力される画像信号に基づいて実行される画像処理について説明する。
図5は、本発明を適用したカメラシステムの一実施の形態の構成を示す図である。
図5では、カメラボディ22内の撮像素子13から出力される画像信号に基づいて実行される画像処理を中心に説明するため、図4の撮像素子13より後段の処理を実行するブロックを主に図示している。すなわち、カメラボディ22は、図5に示すように、上述した撮像素子13の他に、制御回路51、ユーザインターフェース52、駆動回路53、画像処理回路54、記憶媒体55、表示制御部56、及びディスプレイ57を含んでいる。
なお、図5において、撮像レンズ11ないし撮像素子13は、図4の撮像レンズ11ないし撮像素子13に対応している。
制御回路51は、シャッタボタンやコントロールスイッチ等のユーザインターフェース52を介してユーザから入力された指示にしたがって、駆動回路53、画像処理回路54、及び表示制御部56の制御を行う。
駆動回路53は、撮像素子13を駆動する。また、駆動回路53は、撮像素子13からの画像信号を画像処理回路54に出力する。
画像処理回路54は、通常マイクロコンピュータの一部機能として構成されるもので、駆動回路53から供給される画像信号に基づいて、所定の画像処理を実行する。画像処理回路54は、画像処理によって得られた画像データを、メモリカード等の記憶媒体55に記憶させる。また、この画像データは、表示制御部56によってディスプレイ57に表示される。なお、画像処理回路54によって実行される画像処理の詳細については、後述する図6の画像処理回路54の動作の説明の際に併せて説明する。
なお、本実施の形態では、撮像素子13から出力される画像信号に対する画像処理は、カメラボディ22の画像処理回路54で実行されるとして説明するが、例えば、カメラボディ22を、画像処理回路54と同等の機能を有する図不示のパーソナルコンピュータ等の画像処理装置(外部装置)と接続させることで、画像処理装置によって、所定の画像処理を実行させてもよい。この場合、カメラボディ22では、画像処理が実行されずに、撮像素子13による画像信号がそのまま画像処理装置に出力されるので、画像処理装置は、カメラボディ22から出力される画像信号に対して所定の画像処理を実行して、画像データを取得することになる。
次に、図6のフローチャートを参照して、図5の画像処理回路54によって実行される立体画像生成処理について説明する。
ステップS11において、画像処理回路54は、駆動回路53を介して撮像素子13から出力される画像信号を取得する。
ステップS12において、画像処理回路54は、駆動回路53から取得した画像信号に基づいて、任意の被写体距離における画像を生成(合成)する。具体的には、画像処理回路54は、取得した画像信号、つまり、撮像素子13の撮像面上の各ML領域に結像された像より得られる画像信号から求められる値を、式(11)を用いて演算することで、像面(MLA12の位置)から光軸方向にずらしたときの任意の像面(デフォーカス面)での像の画像を合成する。
ステップS13において、画像処理回路54は、生成された複数の画像(任意の像面における像の画像)から奥行き方向の距離情報を得ることにより、被写体Hの立体画像を生成し、立体画像生成処理は終了する。
以上のように、画像処理回路54によって、図4の光学系の構成を採用することで得られる画像信号から任意の像面における像の画像が複数合成され、それらの任意の像面における像の画像から奥行き方向の距離情報が求められ、被写体Hの立体画像が生成される。
言い換えれば、交換レンズ21をカメラボディ22に直接装着して撮影を行うカメラシステムにおいて、単に、交換レンズ21とカメラボディ22との間にカメラレンズアダプタ23を取り付けるだけで、任意の被写体距離における画像を生成(合成)することが可能になるので、画像処理回路54に立体画像を得るためのプログラムを付加しておくだけで、立体画像を容易に撮影することが可能となる。勿論、図6のステップS12に基づいて、任意の被写体距離における画像を得るようにするに止めてもよいし、さらに、異なる被写体距離における画像を合算して深度の深い画像を得ることができるし、全ての被写体距離における画像を合算すれば、全ての位置にピントの合った、いわゆる全焦点画像を得ることもできる。
このことは、従来のように専用の撮像装置等を用いることなく、既存のカメラボディと撮影レンズとの間にカメラレンズアダプタ23を装着するだけで、容易に立体画像の撮影に必要な情報を得ることができ、カメラボディの画像処理回路に立体画像を得るためのプログラムを付加することで、カメラボディから立体画像の構築に必要な情報を得ることができる。したがって、安価に画像合成カメラを構成することができる。
また、カメラボディからは立体画像を得るための信号を得るだけに止め、上述したように、この信号をパーソナルコンピュータ等の外部装置に入力して、処理するようにしてもよい。
また、従来からあるステレオカメラ撮影では、2台のカメラから得られる2枚の画像から、それぞれの被写体までの視差を求めて、奥行き方向の距離情報を得ることで、立体画像を撮影するが、被写体の距離情報を得るためには、2つの画像の中から同一の被写体を認識しなければならない。これは、画像処理により行われるが、膨大な演算量を要するため、ステレオカメラ撮影では容易に立体撮影を行えるとは言えない。また、コストの観点からみても、カメラとレンズの組み合わせが2セット以上必要となるので安価であるとは言えない。それに対して、本発明では、図4の光学系の構成を採用することで、より少ない演算量の画像処理で任意の像面における像の画像を生成して、奥行き方向の距離情報を得ることができる。また、ハード的には、交換レンズ21とカメラボディ22との間に装着するカメラレンズアダプタ23を用意するだけでよいので、安価に立体撮影を実現することができる。
なお、本実施の形態では、撮像装置として、デジタルカメラであるカメラボディ22について説明したが、フィルムカメラを用いてもよい。その場合、2次元の撮像素子13の撮像面の代わりに、フィルム面が設けられ、撮影されたフィルムをフィルムスキャナで取り込むことで、上述したデジタルカメラの場合と同様の信号を得ることができ、容易に立体撮影を行うことができる。
また、図6のフローチャートの処理を実現するためのプログラムは、カメラレンズアダプタ23に付属してCD-ROM(Compact Disk Read Only Memory)などの記録媒体の形で配布され、カメラボディにインストールされ、又は汎用のパーソナルコンピュータへインストールして使用される。
さらに、上述した一連の処理を実行させるプログラムは、必要に応じてルータ、モデム等のインターフェースを介して、ローカルエリアネットワーク、インターネット、デジタル衛星放送といった、有線または無線の通信媒体を介してコンピュータにインストールされるようにしてもよい。
なお、本明細書において、記憶媒体に格納されるプログラムを記述するステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理をも含むものである。
また、本明細書において、システムとは、複数の装置により構成される装置全体を表すものである。
さらに、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
本発明を適用した光学系の概要を説明するための図である。 撮像素子の撮像面上のML領域の例を示す図である。 任意の像面における像の画像の演算方法の詳細について説明するための図である。 本発明を適用したカメラシステムの光学系の構成を示す図である。 本発明を適用したカメラシステムの一実施の形態の構成を示す図である。 立体画像生成処理を説明するフローチャートである。
符号の説明
11 撮像レンズ, 12 MLA, 13 撮像素子, 14 絞り, 21 交換レンズ, 22 カメラボディ, 23 カメラレンズアダプタ, 31 レンズ側マウント部, 32 ボディ側マウント部, 33 レンズ側取り付け用マウント部, 34 ボディ側取り付け用マウント部, 41 フィールドレンズ, 42 リレーレンズ, 51 制御回路, 52 ユーザインターフェース, 53 駆動回路, 54 画像処理回路, 55 記憶媒体, 56 表示制御部, 57 ディスプレイ, ML マイクロレンズ

Claims (5)

  1. 着脱可能な交換レンズを有する撮像装置に装着されるカメラレンズアダプタにおいて、
    前記交換レンズに着脱自在に装着されるレンズ側装着手段と、
    前記撮像装置に着脱自在に装着されるカメラ側装着手段と、
    前記レンズ側装着手段と前記カメラ側装着手段との間に設けられ、2次元状に配列された複数のレンズを有する光学素子と、
    前記光学素子と前記カメラ側装着手段との間に配置され、前記カメラ側装着手段が前記撮像装置に装着されたとき、前記光学素子の背後の所定位置と前記撮像装置の結像面とを共役にするリレーレンズと
    を備えることを特徴とするカメラレンズアダプタ。
  2. 前記撮像レンズと前記光学素子との間に配置され、前記複数のレンズのそれぞれに入射する光束の角度を抑えるためのフィールドレンズをさらに備える
    ことを特徴とする請求項1に記載のカメラレンズアダプタ。
  3. 前記撮像装置は、デジタルカメラであり、
    前記結像面は、前記デジタルカメラに設けられた2次元の撮像素子の撮像面である
    ことを特徴とする請求項1又は2の何れか一項に記載のカメラレンズアダプタ。
  4. 前記撮像装置は、フィルムカメラであり、
    前記結像面は、前記フィルムカメラに設けられたフィルム面である
    ことを特徴とする請求項1又は2の何れか一項に記載のカメラレンズアダプタ。
  5. カメラボディと、前記カメラボディに着脱可能な交換レンズとの間に、請求項1から3の何れか一項に記載のカメラレンズアダプタを介在させたカメラシステムにおいて、
    前記カメラボディは、
    前記撮像レンズによる被写体の像を撮像する2次元の撮像素子と、
    前記撮像素子の出力に基づいて、任意の被写体距離における画像を合成する画像合成手段と
    を備えることを特徴とするカメラシステム。
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