日立、レンズ不要の極薄カメラ、処理量を1/300に

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日立、レンズ不要の極薄カメラ、処理量を1/300に

Hitachi_lensless-camera_image2.jpg
レンズレスカメラの構成

日立製作所は、同社の推進する社会イノベーション事業に向けて、カメラを小型・低コスト化できる
新しいイメージセンシング技術を開発したとしています。より多くの場所を撮像してデータとして取り込み、
AI(人工知能)などで解析して、価値ある情報として活用することを目指すとのこと。



<車載用途や監視カメラで有効>

開発した技術は、既存のイメージセンサーと画像データの演算を組み合わせて、光学レンズを不要にするもの。
レンズの代わりに数十μm厚などと薄いフィルムを使用。フィルムに同心円状のパターンを描いており、
これと演算処理がレンズの代わりの働きをするとのこと。

Hitachi_lensless-camera_image1.jpg
イメージセンサーの前に置くフィルム

カメラの寸法とコストの大半を占めるレンズをなくすことで小型・低コスト化が見込めるとしており、
特に、監視カメラや自動車搭載向けなどで、暗い環境でもよく見えるようにする大型イメージセンサーを
使った場合に有効だとしています。
大判センサー向けに直径が大きく厚い(多数枚の)レンズを薄いフィルムで代替可能。
イメージセンサー表面とフィルムとの距離は1㎜程度であり、レンズを使うよりも大幅な薄型化が
見込めるとしています。

撮像後に任意の場所にピント(焦点)を合わせることもできるとのこと。
これは、フィルムを介してイメージセンサーで取り込んだデータから像を復元する演算手法に由来しています。
同社が採用したレンズレスカメラの手法では、一般には同心円パターンを描いた2枚のフィルムを一定の距離を
置いて重ね、光を透過させることで得られる「モアレ縞」を使用。像を成している無数の光の点は、
それぞれモアレ縞のピッチと向きに影響を与えるとのこと。
モアレ縞を2次元フーリエ変換することによって、光の位置などを復元できるとしています。

<後からピント合わせも>

今回、同社は2枚のフィルムのうちイメージセンサーに近い側を画像処理で代替しています。
すなわち、1枚のフィルムは1㎜程度の間隔で配置しつつ、もう1枚のフィルムは実際には存在せず
同心円状のパターンを撮像データに重ねて機能させています。
モアレ縞からフーリエ変換で元の像を復元するためには、2枚の同心円パターンの直径を
イメージセンサー表面で一致させる必要があり、これは対象物からの距離によって変わってきます。
しかも一致した場合にはモアレ縞が直線になり、不一致の場合は湾曲します。
今回の技術では、画像処理による同心円状パターンの直径を変えて、得られるモアレ縞が
直線になるポイントを探し、ここが焦点の合った状態となります。
この原理から、任意の場所の光によるモアレ縞を直線にすることが、その場所に焦点を合わせることになります。

Hitachi_lensless-camera_image3.jpg
モアレ縞から撮像

今回の手法は、2次元フーリエ変換という演算の高速化手法が確立している演算を使うために、
高い演算能力は不要になります。同心円状パターン以外のパターンを描いたフィルムを使う場合と比べて
必要な演算能力は1/300で済むとのこと。動画をリアルタイム表示させる場合に必要な処理能力も
既存のパソコン用マイクロプロセッサーや組み込みマイコンで間に合うとのことです。

Hitachi_lensless-camera_image4.jpg
試作機での撮像イメージ(画面の右)と復元前の像(左)

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