JP6471031B2 - Phase filter, imaging optical system, and imaging system - Google Patents

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Description

本発明は、位相フィルタ、撮像光学系、及び撮像システムに関するものであり、具体的には、WFCの画像処理後の焦点深度拡大画像において、ノイズを低減する技術、及び再生像の位置ずれを解消する技術に関する。   The present invention relates to a phase filter, an imaging optical system, and an imaging system, and more specifically, a technique for reducing noise and a positional deviation of a reproduced image in an enlarged focal depth image after WFC image processing. Related to technology.

撮像カメラ光学系の瞳面において、瞳面内座標に対して3次関数で与えられる位相分布を与えることによって焦点ずれに対する点像のぼけを均一化し、均一なぼけをデコンボリューションと称される画像処理によって除去して光学系の被写界深度や焦点深度を拡大するWavefront Coding(以下WFCと略す)と呼ばれる技術が提案されている。   On the pupil plane of the imaging camera optical system, by giving a phase distribution given by a cubic function to the coordinates in the pupil plane, the blur of the point image with respect to the defocus is made uniform, and the uniform blur is an image called deconvolution A technique called Wavefront Coding (hereinafter abbreviated as WFC) is proposed which is removed by processing to expand the depth of field and the depth of focus of an optical system.

こうしたWFCに関する従来技術として、例えば、撮像カメラの光学系に3次位相関数を実現した位相フィルタによって、瞳関数を位相変調し、撮像された画像に対して画像処理を施すことによって光学系の焦点深度を拡大する技術が提案されている(特許文献1参照)。   As a conventional technique related to such WFC, for example, the phase of a pupil function is modulated by a phase filter that realizes a third-order phase function in an optical system of an imaging camera, and image processing is performed on a captured image, thereby focusing the optical system. A technique for expanding the depth has been proposed (see Patent Document 1).

また、光学的伝達関数(OTF)を変調させる位相フィルタとして、光軸に直交する座標系をx、y座標とするとき、それらの任意のべき乗の積で表される関数の級数によって3次関数を一般化した形の位相分布を与え、撮像された画像に対して画像処理を施すことによって光学系の焦点深度を拡大する技術も提案されている(特許文献2参照)。   Further, as a phase filter that modulates an optical transfer function (OTF), when a coordinate system orthogonal to the optical axis is set to x and y coordinates, a cubic function is represented by a series of functions expressed by a product of arbitrary powers thereof. There is also proposed a technique for expanding the depth of focus of an optical system by providing a generalized phase distribution and performing image processing on a captured image (see Patent Document 2).

また、輪帯構造を備え、各輪帯が略放物断面形状から成る位相フィルタを用いることにより、光軸方向のスポット形状を一様にして、一様な画像処理を施すことによって焦点深度を拡大する技術が提案されている(特許文献3参照)。さらに、位相分布に螺旋状の分布を用いる技術が提案されている(特許文献4参照)。   In addition, by using a phase filter that has an annular structure and each annular zone has a substantially parabolic cross-sectional shape, the spot shape in the optical axis direction is made uniform, and the depth of focus is reduced by performing uniform image processing. An expanding technique has been proposed (see Patent Document 3). Furthermore, a technique using a spiral distribution for the phase distribution has been proposed (see Patent Document 4).

米国特許第5748371号明細書US Pat. No. 5,748,371 特開2011−120309号公報JP 2011-120309 A 特開2014−197115号公報JP 2014-197115 A 国際公開第2015/004881号International Publication No. 2015/004881

特許文献1及び2においては、瞳面内に定義される互いに直交するx軸とy軸に対して、式(1)で与えられる波面収差を与える位相フィルタを撮像光学系の絞り位置に挿入する。

ここでαは3次関数係数であり、このような位相フィルタはCPM(Cubic Phase Mask)と呼ばれている。
In Patent Documents 1 and 2, a phase filter that gives the wavefront aberration given by Equation (1) is inserted at the stop position of the imaging optical system with respect to the x-axis and y-axis defined in the pupil plane and orthogonal to each other. .

Here, α is a cubic function coefficient, and such a phase filter is called CPM (Cubic Phase Mask).

これに対して収差係数βの焦点ずれの波面収差が加わると、式(1)は式(2)のように変形できる。

式(2)に示すように、焦点ずれβは第1項の瞳面内の位置ずれと、第2項の波面の傾きに分解される。第1項は像面の強度分布に影響せず、みかけ上、焦点ずれの波面収差によって波面形状が変化せず、点像のぼけが焦点ずれに対して不感となる根拠となっている。しかし、第2項は焦点面内で焦点ずれ量の2乗に比例した点像の位置ずれを生じるので、画像認識などの用途で用いる上では問題となる。これが本発明の解決すべき第1の課題である。
On the other hand, when a defocus wavefront aberration of the aberration coefficient β is added, the equation (1) can be transformed into the equation (2).

As shown in the equation (2), the defocus β is decomposed into a first term displacement in the pupil plane and a second term wavefront slope. The first term does not affect the intensity distribution of the image plane, and apparently does not change the wavefront shape due to the wavefront aberration of defocus, and is the basis for the blur of the point image being insensitive to defocus. However, the second term causes a position shift of the point image in proportion to the square of the amount of defocus in the focal plane, and thus becomes a problem when used in applications such as image recognition. This is the first problem to be solved by the present invention.

一方、特許文献3では、軸対称な位相フィルタを用いるため、このようなスポット位置ずれの問題が生じないが、以下に述べるもう1つの問題点については特許文献1、2と同様の課題が残る。   On the other hand, in Patent Document 3, since an axially symmetric phase filter is used, such a problem of spot position deviation does not occur, but the same problem as in Patent Documents 1 and 2 remains for another problem described below. .

もう1つの問題点について説明すると、点像の強度分布である点像分布関数PSF(Point Spread Function)は、レンズによるフーリエ変換作用により、式(3)で与えられる。
ここで、Fは2次元フーリエ変換演算を示す。
To explain another problem, a point spread function PSF (Point Spread Function), which is a point image intensity distribution, is given by Expression (3) by the Fourier transform action by the lens.
Here, F represents a two-dimensional Fourier transform operation.

これを用いて光強度分布A(x,y)を発する物体のぼけた像B(x,y)は、AとPSFの重なり積分により、式(4)で与えられる。
ここで*は重なり積分演算を示す。
Using this, a blurred image B (x, y) of an object emitting a light intensity distribution A (x, y) is given by Equation (4) by overlap integration of A and PSF.
Here, * indicates an overlap integral operation.

これらの両辺をフーリエ変換することにより、重なり積分がフーリエ変換の積に変換され、式(5)のように表される。
By performing Fourier transform on both sides, the overlap integral is converted into a product of Fourier transform, and is expressed as in Equation (5).

このことから、PSFが焦点ずれによらず一様であれば、焦点ずれがあっても式(6)のような画像処理演算によりピントの合った像を求めることができる。

この処理はデコンボリューションと呼ばれる。
From this, if the PSF is uniform regardless of the defocus, an in-focus image can be obtained by the image processing calculation as in Expression (6) even if the defocus is present.

This process is called deconvolution.

またここで、PSFのフーリエ変換は光学的伝達関数OTF(Optical Transfer Function)と呼ばれ、この光学的伝達関数OTFは、物体が発する光強度分布のx方向の空間周波数u、y方向の空間周波数vの関数として、式(7)のように表される。
Here, the Fourier transform of the PSF is called an optical transfer function OTF (Optical Transfer Function), and the optical transfer function OTF is a spatial frequency u in the x direction of the light intensity distribution emitted by the object, and a spatial frequency in the y direction. As a function of v, it is expressed as equation (7).

ここで、式(3)によって与えられる点像は、焦点深度拡大効果を得る収差量において比較的大きく、それに伴い、式(7)で与えられるOTFは高い空間周波数成分ほど小さな値となる。式(6)から分かるように、再生画像を得るための画像処理は、この値の小さいOTFで除算することから、大きな増幅ゲインで高周波成分を増幅する周波数フィルタリング処理となっている。   Here, the point image given by the equation (3) is relatively large in the amount of aberration for obtaining the focal depth expansion effect, and accordingly, the OTF given by the equation (7) becomes a smaller value as the spatial frequency component is higher. As can be seen from the equation (6), the image processing for obtaining the reproduced image is a frequency filtering process for amplifying a high frequency component with a large amplification gain because it is divided by an OTF having a small value.

一般に、撮像カメラのセンサでは熱雑音などの電気的なノイズが生じ、検出される画像信号にそれが無相関に混在している。そのようなノイズの混在した検出画像に対して式(6)による大きな増幅ゲインの周波数フィルタリング処理を行うと、ピントの合った画像信号に対して、大きく増幅されたノイズが混在することになり、画質の劣化の原因となる。これが画像の性能指標で評価したときの実効的な焦点深度拡大効果を縮減させていた。すなわちノイズ増大を抑えることが、本発明の解決すべき第2の課題である。   In general, electrical noise such as thermal noise is generated in a sensor of an imaging camera, and the detected image signal is mixed uncorrelated. When the frequency filtering process with a large amplification gain according to the equation (6) is performed on the detected image in which noise is mixed, greatly amplified noise is mixed with the focused image signal. It causes deterioration of image quality. This reduced the effective depth-of-focus expansion effect when evaluated by the image performance index. That is, suppressing the increase in noise is the second problem to be solved by the present invention.

また、特許文献4では、位相フィルタに螺旋状の波面形状を与えることで、集光スポットを光軸方向に均一にぼかすことを狙っている。しかし、光軸を中心としたある半径位置における周方向への位相面の傾きが一様でないため、光線の傾きも一様でなく、集光スポットの周方向の一様性がくずれ、それが焦点ずれに対するスポットの一様性も悪化させるという問題点がある。この問題点を解決することが、本発明の第3の課題である。   Further, Patent Document 4 aims to uniformly blur the condensing spot in the optical axis direction by giving the phase filter a spiral wavefront shape. However, since the tilt of the phase plane in the circumferential direction at a certain radial position around the optical axis is not uniform, the tilt of the light beam is also not uniform, and the uniformity of the circumferential direction of the focused spot is broken, There is a problem that the uniformity of the spot with respect to defocusing is also deteriorated. Solving this problem is the third problem of the present invention.

このように、本発明は、上記した各課題を解決するためになされたものであり、その目的は、再生像の位置ずれを防ぎ、ノイズ増大を抑え、かつ、焦点方向へのスポット分布の一様性に優れた焦点深度拡大像を実現する位相フィルタ、撮像光学系、及び撮像システムを提供することである。   As described above, the present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to prevent the positional deviation of the reproduced image, suppress the increase in noise, and provide a spot distribution in the focal direction. It is an object to provide a phase filter, an imaging optical system, and an imaging system that realize an enlarged focal depth image having excellent uniformity.

上記課題を解決するために、代表的な本発明の位相フィルタは、透明材料から成り、光軸を有する位相フィルタであって、前記位相フィルタの表面は、前記光軸の周りに連続的に形成されるn個(但し、nは2以上の自然数)の傾斜面と、隣り合う前記傾斜面の境界に形成される段差とを有する曲面で構成され、前記光軸に平行に入射する光束の光線を、前記曲面を介して前記光軸に対する周方向に偏向屈折させるようにしたことを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, a typical phase filter of the present invention is a phase filter made of a transparent material and having an optical axis, and the surface of the phase filter is continuously formed around the optical axis. A light beam of a light beam incident on the optical axis in parallel with the curved surface having n inclined surfaces (where n is a natural number of 2 or more) and a step formed at the boundary between the adjacent inclined surfaces. Is deflected and refracted in the circumferential direction with respect to the optical axis through the curved surface.

また、代表的な本発明の撮像光学系は、上記した位相フィルタと、複数の屈折面で構成される結像レンズ系と、絞りと、イメージセンサとによって少なくとも構成される。さらに代表的な本発明の撮像システムは、上記した撮像光学系と、前記イメージセンサからの画像信号出力に対して、前記撮像光学系による点像のぼけを除去して再生画像上の輝点として再生する画像処理回路が一体として構成される。   A typical imaging optical system of the present invention includes at least the above-described phase filter, an imaging lens system including a plurality of refractive surfaces, a diaphragm, and an image sensor. Further, the representative imaging system of the present invention removes the blur of the point image caused by the imaging optical system as a bright spot on the reproduced image with respect to the imaging optical system described above and the image signal output from the image sensor. An image processing circuit to be reproduced is integrally configured.

本発明によれば、再生像の位置ずれを防ぎ、ノイズ増大を抑え、かつ、焦点方向へのスポット分布の一様性に優れた焦点深度拡大像を得ることができ、車載カメラや監視カメラや検査装置カメラやスマートフォンのカメラなどにおいて、信頼性を維持して奥行き方向の視野範囲を広げ、初期調整のピント調整精度を緩和させることができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。   According to the present invention, it is possible to obtain a magnified depth-of-focus image that prevents positional deviation of a reproduced image, suppresses noise increase, and has excellent uniformity of spot distribution in the focal direction. In an inspection apparatus camera, a smartphone camera, etc., it is possible to maintain reliability and widen the visual field range in the depth direction, and to reduce the initial focus adjustment accuracy. Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of the embodiments.

本発明の位相フィルタによる基本的な光線の偏向屈折作用を説明する図である。It is a figure explaining the basic | reflecting-refractive action of the light ray by the phase filter of this invention. 図1に示す光線の仮想平面Bへの射影図である。FIG. 2 is a projection view of light rays shown in FIG. 1 onto a virtual plane B. n=4の場合の本発明の位相フィルタによる波面収差の概略図である。It is the schematic of the wavefront aberration by the phase filter of this invention in case of n = 4. 本発明の位相フィルタの一実施形態を説明するための詳細図である。It is detail drawing for demonstrating one Embodiment of the phase filter of this invention. ノイズのない条件での実施例1の各種位相フィルタによるPSNRのシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of PSNR by the various phase filters of Example 1 on the conditions without noise. ノイズのある条件での実施例1の各種位相フィルタによるPSNRのシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of PSNR by the various phase filters of Example 1 on conditions with noise. 本発明の位相フィルタの位相分布の半径依存性によるPSNR比較シミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the PSNR comparison simulation result by the radius dependence of the phase distribution of the phase filter of this invention. 本発明の位相フィルタのOTFのシミュレーション結果である。It is a simulation result of OTF of the phase filter of the present invention. 本発明の位相フィルタと比較するためのCPMのOTFシミュレーション結果である。It is an OTF simulation result of CPM for comparing with the phase filter of the present invention. 本発明の位相フィルタによる波面収差、点像、検出画像、再生画像の焦点ずれ依存性の一覧図である。It is a list figure of the defocus dependence of a wavefront aberration by a phase filter of the present invention, a point image, a detection image, and a reproduction image. 本発明の位相フィルタを用いない通常光学系での波面収差、点像、検出画像の焦点ずれ依存性の一覧図である。It is a list of the defocus dependency of wavefront aberration, point images, and detected images in a normal optical system that does not use the phase filter of the present invention. CPMとねじれ位相フィルタとの再生画像の位置ずれ量計算結果である。It is the position shift amount calculation result of the reproduction | regeneration image of CPM and a twist phase filter. 実施例1の位相フィルタの波面収差形状を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a wavefront aberration shape of the phase filter according to the first embodiment. 図13の位相フィルタの半径方向の位相プロファイルを示す図である。It is a figure which shows the phase profile of the radial direction of the phase filter of FIG. 図13の位相フィルタの周方向の位相プロファイルを示す図である。It is a figure which shows the phase profile of the circumferential direction of the phase filter of FIG. 本発明の実施例2に係る位相フィルタの波面収差を示す図である。It is a figure which shows the wavefront aberration of the phase filter which concerns on Example 2 of this invention. 通常光学系の検出画像、本発明の実施例3に係る光学系において位相フィルタを用いた場合の検出画像、及び再生画像の焦点ずれ依存性の一覧図である。It is a list figure of the focus shift dependence of the detection image of a normal optical system, the detection image at the time of using a phase filter in the optical system which concerns on Example 3 of this invention, and a reproduction | regeneration image. 本発明の実施例4に係る撮像光学系及び撮像システムを示す図である。It is a figure which shows the imaging optical system and imaging system which concern on Example 4 of this invention. 本発明の実施例5において、位相フィルタをレンズ屈折面に一体にした構成を示す図である。In Example 5 of this invention, it is a figure which shows the structure which integrated the phase filter with the lens refractive surface.

以下、図面等を用いて、本発明の一実施形態及び各種実施例について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。   Hereinafter, an embodiment and various examples of the present invention will be described with reference to the drawings. The following description shows specific examples of the contents of the present invention, and the present invention is not limited to these descriptions. Various modifications by those skilled in the art are within the scope of the technical idea disclosed in this specification. Changes and modifications are possible. In all the drawings for explaining the present invention, components having the same function are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof may be omitted.

図1は、本発明の一実施形態に係る位相フィルタ101による基本的な光線の偏向屈折作用を説明する図である。図1(a)は比較対象のための通常レンズによる集光作用を示す図であり、レンズ102に入射する光線104が焦点105に向けて集光されている。焦点105から光軸方向前後の等しい距離にある仮想平面Aから焦点105を経て仮想平面Bに至る光束の最外縁の光線を右に斜視図で示している。光線に収差がなく、焦点105からの距離が等しいので、仮想平面Aの12時の位置を通る光線は仮想平面Bの6時の位置に到達し、以下同様に、3時は9時に、6時は12時に、9時は3時に到達する。   FIG. 1 is a diagram for explaining the basic light deflection and refraction action of the phase filter 101 according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a diagram showing a light condensing action by a normal lens for comparison, in which a light beam 104 incident on the lens 102 is condensed toward a focal point 105. An outermost ray of a light beam from the virtual plane A, which is at an equal distance in the front and rear direction in the optical axis direction, from the focal point 105 to the virtual plane B through the focal point 105 is shown in the right perspective view. Since there is no aberration in the ray and the distance from the focal point 105 is equal, the ray passing through the 12 o'clock position of the virtual plane A reaches the 6 o'clock position of the virtual plane B, and so on. The hour will reach 12:00 and 9:00 will reach 3 o'clock.

図1(b)では本発明の実施形態に係る位相フィルタ101によりレンズ103に入射する光線106はわずかに屈折され、図1(a)とは異なる光路となる。右の斜視図において、仮想平面Aの12時の位置を通る光線は、仮想平面Bにおいて6時でなく5時近傍の位置に到達している。以下同様に3時は8時、6時は11時、9時は2時に到達している。   In FIG. 1B, the light beam 106 incident on the lens 103 is slightly refracted by the phase filter 101 according to the embodiment of the present invention, resulting in an optical path different from that in FIG. In the right perspective view, the light beam passing through the 12 o'clock position of the virtual plane A reaches a position near 5 o'clock in the virtual plane B instead of 6 o'clock. Similarly, at 3 o'clock, 8 o'clock, 6 o'clock at 11 o'clock, and 9 o'clock at 2 o'clock.

このように位相フィルタ101は、光線を光軸10に対してねじるように屈折させる。これを本明細書では以下「偏向屈折」させる、と称している。このように光線10を偏向屈折させることで通常光学系での焦点105は最小錯乱円107のようにぼけ、光軸方向にねじれながらゆるやかにビーム径が広がるような集光光束となる。これによってスポット強度分布を均一化させる。以下、便宜上、このように形成される光スポットをねじれスポット、ねじれスポットを生成する位相フィルタをねじれ位相フィルタと称することとする。このようなスポットを構成する光線は互いに近接しながら交わらずに集光している。   Thus, the phase filter 101 refracts the light beam so as to be twisted with respect to the optical axis 10. This is hereinafter referred to as “deflection and refraction”. By deflecting and refracting the light beam 10 in this way, the focal point 105 in the normal optical system is blurred like a minimum circle of confusion 107, and becomes a condensed light beam whose beam diameter gradually increases while twisting in the optical axis direction. This makes the spot intensity distribution uniform. Hereinafter, for convenience, the light spot formed in this manner is referred to as a twisted spot, and a phase filter that generates a twisted spot is referred to as a twisted phase filter. The light rays that make up such a spot are collected in close proximity to each other without intersecting.

図2は、図1(b)の仮想平面Aから仮想平面Bへの光線を仮想平面Bに射影し、これを仮想平面B側から見た光線の射影図である。図2において、仮想平面Aの光線開始点には小円をつけて示している。このうち、仮想平面Aの12時の位置を出発し、仮想平面Bの5時位置に到達する光線の焦点位置近傍部分を右側に拡大して示している。この光線の仮想平面Bへの射影は、12時と5時を結ぶ弦となり12時位置を通る直径となす角をねじれ角γとする。5時と6時を結ぶ弦の長さをwとすれば、図2の右側の拡大図に示すように、中心Oから12時と5時を結ぶ弦に下ろした垂線の長さはw/2となり、wが最小錯乱円107の直径に対応することがわかる。   FIG. 2 is a projection view of the light rays when the light rays from the virtual plane A to the virtual plane B in FIG. 1B are projected onto the virtual plane B and viewed from the virtual plane B side. In FIG. 2, the light ray starting point of the virtual plane A is shown with a small circle. Among these, the vicinity of the focal position of the light beam starting from the 12 o'clock position of the virtual plane A and reaching the 5 o'clock position of the virtual plane B is shown enlarged on the right side. The projection of this ray onto the imaginary plane B is a chord connecting 12 o'clock and 5 o'clock, and the angle formed by the diameter passing through the 12 o'clock position is defined as the twist angle γ. Assuming that the length of the string connecting 5 o'clock and 6 o'clock is w, as shown in the enlarged view on the right side of FIG. 2, the length of the perpendicular line extending from the center O to the string connecting 12 o'clock and 5 o'clock is w / It can be seen that w corresponds to the diameter of the minimum circle of confusion 107.

また、垂線と3時を通る直径とのなす角はねじれ角γに等しい。図示しているのは光束の最外縁の光線であるが、任意の半径位置の光線の焦点面上の到達位置は、たとえば仮想平面Aの最外縁の半径に対する当該半径の比でw/2から小さくなると考えることができる。ここで、焦点面上で最外縁の光線位置がw/2だけ光軸からずれているということは、レンズ103の焦点距離をfとすれば、当該最外縁光線は光軸10から弧度でw/2fだけ傾いており、波面も同じだけ傾いていることを意味している。   The angle formed between the perpendicular and the diameter passing through 3 o'clock is equal to the twist angle γ. What is shown is the light beam at the outermost edge of the light beam, but the arrival position of the light beam at an arbitrary radial position on the focal plane is, for example, from w / 2 by the ratio of the radius to the radius of the outermost edge of the virtual plane A. It can be considered to be smaller. Here, the position of the outermost ray on the focal plane is deviated from the optical axis by w / 2. If the focal length of the lens 103 is f, the outermost ray will be w. This means that it is tilted by 2f, and the wavefront is tilted by the same amount.

wがレンズ103の有効半径Rに対して十分小さいとすれば、レンズ瞳面上の任意の半径位置rの波面傾きの方向は瞳面の周方向であり、瞳面内の座標を極座標(r、φ)として、式(8)のように表せる。

ここで、W(r,φ)は波面収差分布である。
If w is sufficiently smaller than the effective radius R of the lens 103, the direction of wavefront inclination at an arbitrary radial position r on the lens pupil plane is the circumferential direction of the pupil plane, and the coordinates in the pupil plane are polar coordinates (r , Φ) can be expressed as in equation (8).

Here, W (r, φ) is a wavefront aberration distribution.

これより、ねじれスポットを形成する波面収差が、たとえば式(9)のように表せる。

これは動径角φに対して1次関数的に大きく、半径方向に対して2次関数的に大きくなる関数であるため、たとえばC=0、φ=0〜2πで定義したとき、φ=0で段差のあるらせん状の形状となる。
Thus, the wavefront aberration that forms the torsion spot can be expressed, for example, by the equation (9).

Since this is a function that is large in a linear function with respect to the radial angle φ and quadratic in the radial direction, for example, when defined as C = 0, φ = 0 to 2π, φ = 0 is a spiral shape with a step.

このままだと対称性が悪く、画角特性が劣化する可能性が高いので、動径角をn分割し、式(10)のように表す。
Since the symmetry is poor and the angle-of-view characteristic is likely to deteriorate, the radial angle is divided into n and expressed as in equation (10).

式(10)は、rは瞳半径Rで規格化した規格化瞳半径ρと、開口数NA=R/fを用いれば、式(11)のように表すことができる。
Expression (10) can be expressed as Expression (11) by using the normalized pupil radius ρ normalized by the pupil radius R and the numerical aperture NA = R / f.

さらにこのとき、最外周の段差の光路差hは、式(12)となる。
Further, at this time, the optical path difference h of the step at the outermost periphery is expressed by Expression (12).

式(12)を用いれば、式(11)は式(13)のように表すこともできる。
If Expression (12) is used, Expression (11) can also be expressed as Expression (13).

たとえばn=4のとき、この波面収差分布は図3のようになる。波面収差は位相フィルタの凹凸量dに対して屈折率をNとするとき(N−1)dで生じる光路差と等価であるので、位相フィルタの面形状もほぼこの形状を忠実に反映した形状となる。図4に本発明の一実施形態に係る位相フィルタ101の形状を示す。図4(a)は、本発明の一実施形態に係る位相フィルタ101を斜め上方から見た斜視図、図4(b)は、位相フィルタ101の上面図である。図4に示すように、位相フィルタ101は、透明材料から成り、光線を偏向屈折させるための4つの傾斜面20が、光軸10の周りに連続的に形成され、隣り合う傾斜面20の境界に段差30が形成された曲面を有する略円盤状(平板状)の構造となっている。すなわち、位相フィルタ101は、4つの傾斜面20(20a〜20d)と4つの段差30(30a〜30d)を有している。傾斜面20は、図4の上方から見て光軸10の時計回りの方向であるT方向に向かって下り傾斜するよう構成される。   For example, when n = 4, the wavefront aberration distribution is as shown in FIG. Since the wavefront aberration is equivalent to the optical path difference generated by (N-1) d when the refractive index is N with respect to the unevenness d of the phase filter, the surface shape of the phase filter substantially reflects this shape. It becomes. FIG. 4 shows the shape of the phase filter 101 according to an embodiment of the present invention. 4A is a perspective view of the phase filter 101 according to an embodiment of the present invention as viewed obliquely from above, and FIG. 4B is a top view of the phase filter 101. FIG. As shown in FIG. 4, the phase filter 101 is made of a transparent material, and four inclined surfaces 20 for deflecting and refracting light rays are continuously formed around the optical axis 10, and the boundary between adjacent inclined surfaces 20. It has a substantially disk-like (flat plate) structure having a curved surface in which a step 30 is formed. That is, the phase filter 101 has four inclined surfaces 20 (20a to 20d) and four steps 30 (30a to 30d). The inclined surface 20 is configured to incline downward in the T direction, which is the clockwise direction of the optical axis 10 when viewed from above in FIG.

さらに詳しく形状を説明すると、本実施形態に係る位相フィルタ101は、段差30と段差30とに挟まれた領域の対称性から、光軸10の周りに1/n回転ずつ、n回回転ごとに元の形状と重なるn回回転同一対称性を有している。すなわち、位相フィルタ101は、光軸10の周りにn回(但し、nは2以上の自然数)の回転対称となる構造である。図4に示す実施形態では、傾斜面20a,20b,20c,20dは全て平面視で1/4円形状を成しており、位相フィルタ101を1/4回転させると自ら重なり、1回転させる間に4回重なる性質(4回対称)である。   In more detail, the phase filter 101 according to this embodiment has a 1 / n rotation around the optical axis 10 every n rotations because of the symmetry of the region between the steps 30 and 30. It has n-fold rotation identical symmetry that overlaps the original shape. That is, the phase filter 101 has a structure that is rotationally symmetric around the optical axis 10 n times (where n is a natural number of 2 or more). In the embodiment shown in FIG. 4, the inclined surfaces 20a, 20b, 20c, and 20d all have a ¼ circular shape in a plan view, and overlap each other when the phase filter 101 is rotated by ¼, and during one rotation. (4 times symmetry).

また、本実施形態に係る位相フィルタ101は、上記式に示すように、周方向への傾斜角が半径に比例して大きくなっている。また特定の動径角に着目すれば、半径方向への傾斜角は光軸10からの距離に比例して正または負の方向に大きくなっている。また、段差30も光軸10からの距離が離れるほど大きくなっている。すなわち、段差30の高さは、位相フィルタ101が光軸10と交わる中心点Oから半径方向の外方に向かうに連れて、高くなるように形成されている。なお、図4に示す位相フィルタ101は、n=4のときの構成であるが、実際には以下の各種実施例で説明している通り、例えば、n=50の構成などが用いられる。   Further, in the phase filter 101 according to the present embodiment, as shown in the above formula, the inclination angle in the circumferential direction is increased in proportion to the radius. If attention is paid to a specific radial angle, the inclination angle in the radial direction increases in the positive or negative direction in proportion to the distance from the optical axis 10. The step 30 also increases as the distance from the optical axis 10 increases. That is, the height of the step 30 is formed so as to increase as the phase filter 101 moves outward in the radial direction from the center point O where the phase filter 101 intersects the optical axis 10. Note that the phase filter 101 shown in FIG. 4 has a configuration when n = 4, but actually, for example, a configuration with n = 50 is used as described in the following various embodiments.

以下、具体的な実施例を説明する。   Hereinafter, specific examples will be described.

焦点距離50mm、有効径15.625mm、Fナンバー3.2、センササイズ15mm角(以下、□と記す)、画素数1024×1024、中心波長500nmの光学系に本発明を適用する例について述べる。波長は中心波長前後の400nmと600nmについても計算し、これらの平均値の像を計算結果とする。サンプル画像は512×512画素、256階調のLenaと呼ばれる一般的な女性の顔のテスト画像を、1024×1024のエリアの中心におき、他の領域は輝度0の値で埋めたものである。   An example in which the present invention is applied to an optical system having a focal length of 50 mm, an effective diameter of 15.625 mm, an F number of 3.2, a sensor size of 15 mm square (hereinafter referred to as □), a pixel count of 1024 × 1024, and a center wavelength of 500 nm will be described. The wavelength is also calculated for 400 nm and 600 nm around the center wavelength, and an image of these average values is used as the calculation result. The sample image is a typical female face test image called Lena with 512 × 512 pixels and 256 tones, placed in the center of the 1024 × 1024 area, and the other regions are filled with 0 brightness values. .

再生像の評価は、式(14)で定義されるPSNR(Peak Signal to Noise Ratio)と呼ばれる評価指標で行う。
ここで、f’(x,y)、f(x,y)はそれぞれ再生画像及び元画像の画素(x,y)における輝度である。Max Valueは最大輝度であり、本実施例では255である。X,Yは画素数であり、本実施例では中心のLena画像についてのみ評価したのでともに512である。この指標は再生画像が元の画像に近いほど分母が小さくなって大きな評価値となる。単位はdBである。
The evaluation of the reproduced image is performed with an evaluation index called PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) defined by the equation (14).
Here, f ′ (x, y) and f (x, y) are the luminances at the pixel (x, y) of the reproduced image and the original image, respectively. Max Value is the maximum luminance, which is 255 in this embodiment. X and Y are the number of pixels. In this embodiment, only the central Lena image is evaluated, and both are 512. This index becomes a large evaluation value with the denominator being smaller as the reproduced image is closer to the original image. The unit is dB.

図5に、まずノイズのない条件での、上記条件におけるPSNRのシミュレーション結果を示す。グラフ横軸はセンサ面と焦点とのデフォーカス量である。「通常」のカーブは位相フィルタを用いず、センサ上に結像される像のPSNR値、「CPM(α20)」及び「CPM(α60)」は中心波長をλとして式(1)のα値がそれぞれ20λ、60λの場合である。ただしCPMは開口が矩形である必要があるため、12mm□の矩形の開口絞りが付加されている。   FIG. 5 shows a PSNR simulation result under the above conditions under a condition free from noise. The horizontal axis of the graph represents the defocus amount between the sensor surface and the focal point. The “normal” curve does not use a phase filter, and the PSNR value of the image formed on the sensor, “CPM (α20)” and “CPM (α60)” are α values in the equation (1), where λ is the center wavelength. Are 20λ and 60λ, respectively. However, since the CPM needs to have a rectangular aperture, a 12 mm square aperture stop is added.

「輪帯」は等幅等深さの放物断面溝の輪帯位相フィルタの場合であり、放物断面の位相深さが2.5λであり、さらに内側から外側に向けてn番目の輪帯境界に5nλの位相段差が付加された輪帯位相フィルタである。   The “annular zone” is a case of an annular phase filter with a parabolic cross section groove of equal width and equal depth, and the phase depth of the parabolic cross section is 2.5λ, and the nth ring from the inside toward the outside. This is an annular phase filter in which a phase step of 5nλ is added to the band boundary.

「ねじれ」は本発明のねじれフィルタの実施例であり、周方向分割数50分割、最外周における分割境界の位相段差が18λとした場合の計算値である。Defocus=0の焦点位置においてはいずれもPSNRは45dB以上に達しているがDefocusが大きくなるにつれて減少している。仮に許容値を35dBと仮定すれば、通常条件の焦点深度は約0.3mm、CPMはα=60λで約1.0mm、α=20λで約0.6mm、輪帯フィルタとねじれフィルタは共に約0.8mmとなっており、CPMが最も焦点深度拡大効果があるように見える。しかしノイズがあると状況が変化する。   “Twist” is an embodiment of the torsion filter of the present invention, and is a calculated value when the number of divisions in the circumferential direction is 50 and the phase step at the division boundary at the outermost circumference is 18λ. At the focal position of Defocus = 0, the PSNR reaches 45 dB or more, but decreases as Defocus increases. If the allowable value is assumed to be 35 dB, the depth of focus under normal conditions is about 0.3 mm, CPM is about 1.0 mm at α = 60λ, about 0.6 mm at α = 20λ, and both the annular filter and the twist filter are about It is 0.8 mm, and CPM seems to have the greatest depth of focus expansion effect. However, the situation changes when there is noise.

図6はノイズが最大輝度に対して標準偏差で0.12%の正規分布ノイズがある場合のPSNRの計算結果である。ただしCPMは矩形開口の開口面積比で相対的に円形開口よりノイズが増大している。α=20λの場合はDefocus=0の焦点位置でピークが約10dB低下し、35dB以上の焦点深度は0.4mm程度に減少している。α=60λの場合はもはやピークでも30dB以下に低下している。これらはデコンボリューションにおける増幅ゲインが大きく、ランダムノイズが増幅された結果によりPSNRを劣化させたためと考えられる。実はα=20λの条件はいくつかαを探索した結果、このノイズ条件において35dB以上の焦点深度を最も広くする条件である。「輪帯」及び「ねじれ」についても同様であるが、輪帯フィルタはピークでα=20のCPMを少し上回るものの、焦点深度はほぼ同等に過ぎない。   FIG. 6 shows the PSNR calculation result when the noise has a normal distribution noise with a standard deviation of 0.12% with respect to the maximum luminance. However, the noise of CPM is relatively larger than that of the circular opening due to the opening area ratio of the rectangular opening. In the case of α = 20λ, the peak is lowered by about 10 dB at the focus position of Defocus = 0, and the depth of focus of 35 dB or more is reduced to about 0.4 mm. In the case of α = 60λ, the peak is no longer lower than 30 dB. This is probably because the amplification gain in the deconvolution is large and the PSNR is deteriorated due to the result of amplification of random noise. Actually, the condition of α = 20λ is a condition for widening the depth of focus of 35 dB or more under this noise condition as a result of searching several α. The same applies to “annular zone” and “twist”, but the annular zone filter is slightly above the CPM of α = 20 at the peak, but the depth of focus is only about the same.

一方、ねじれフィルタはピークでCPMを約5dB上回り、焦点深度も約0.7mmとCPMの2倍近く広くなっている。一方、「ねじれ(CPM等価)」と表示しているカーブはPSNR35dB以上の焦点深度がCPMとほぼ等しい場合のねじれフィルタであり、分割数40分割、最外周位相段差5λの条件である。同じ焦点深度であれば焦点位置におけるPSNRはCPMより10dB以上高くなることがわかる。   On the other hand, the twist filter has a peak that is about 5 dB higher than the CPM, and the focal depth is about 0.7 mm, which is almost twice as large as the CPM. On the other hand, the curve displayed as “twist (equivalent to CPM)” is a twist filter when the focal depth of PSNR 35 dB or more is almost equal to CPM, and is a condition of 40 divisions and the outermost peripheral phase step 5λ. It can be seen that the PSNR at the focal position is 10 dB or more higher than the CPM at the same focal depth.

このようにノイズがある場合に、本発明のねじれスポットを生成するねじれ位相フィルタは顕著な焦点深度拡大効果と高S/N化が期待できるが、実は先の式(13)の説明と異なり図6のねじれスポットの計算結果は半径方向の位相プロファイルが半径の2乗に比例する関数ではなく、3乗に比例する関数となっている。すなわち、式(15)の関数で与えられる波面収差分布であった。
In this way, when there is noise, the torsional phase filter that generates the torsional spot of the present invention can be expected to have a remarkable depth-of-focus effect and a high S / N ratio. The calculation result of the twisted spot of 6 is not a function in which the radial phase profile is proportional to the square of the radius but a function that is proportional to the cube of the radius. That is, it was a wavefront aberration distribution given by the function of Expression (15).

式(13)の導出において、焦点位置の光線分布を瞳面での分布と相似回転形に配置させることを意図していたが、スポット強度分布は必ずしも光線分布通りになるとは限らず、波動光学的な回折作用によって光軸方向の強度分布の一様性が影響を受ける可能性は大いにありえる。そこで図7に、半径方向依存性について2乗、3乗、4乗の場合、それぞれについて35dB以上の焦点深度を最大化する条件を探索した結果を示す。ここで2乗の場合は、段差2λ、分割数100、3乗の場合は先に示した通り、4乗の場合は、段差30λ、50分割である。このように焦点深度は3乗の場合が最も広い結果となった。4乗の場合もほぼ同等の焦点深度であり、焦点位置におけるPSNRが3乗の場合よりも3dB程度高いので、条件によっては適用できる場合もありえる。しかし段差が30λと大きいため、製造が難しくなる可能性もある。2乗の場合もCPMや輪帯と同程度の焦点深度であり、焦点位置のPSNRは高い。   In the derivation of Expression (13), the light distribution at the focal position is intended to be arranged in a similar rotational manner to the distribution on the pupil plane. However, the spot intensity distribution does not always follow the light distribution, and wave optics. There is a great possibility that the uniformity of the intensity distribution in the optical axis direction is affected by the diffractive action. FIG. 7 shows a result of searching for a condition for maximizing the focal depth of 35 dB or more for each of the second, third, and fourth powers in the radial direction dependency. Here, in the case of the square, the level difference is 2λ, and in the case of the number of divisions of 100 and the third power, as described above, in the case of the fourth power, the level difference is 30λ and the division is 50. As described above, the depth of focus is the widest when the cube is the third power. In the case of the fourth power, the depth of focus is almost the same, and the PSNR at the focal position is about 3 dB higher than that of the third power, so it may be applicable depending on the conditions. However, since the step is as large as 30λ, it may be difficult to manufacture. In the case of the square, the focal depth is about the same as that of CPM and the annular zone, and the PSNR of the focal position is high.

図13に図7の3乗の位相分布の場合の位相分布の計算結果の鳥瞰図を示す。垂直方向の軸は位相差であるため、面内の空間座標の軸より拡大して表示されているので、実際の位相フィルタの形状の凹凸としてはほとんど目視できるかどうかという程度となる。また図14には図13の半径方向の断面の位相分布を示す。凡例の値は動径角であり、動径角0の近傍の段差間の1周期を10分割した11点の角度値である。半径方向にはいずれの動径角でも半径に対して3次関数的に位相が変化しており、動径角方向によってその位相値が正から負まで相似的に変化している。図15は周方向の断面であり、動径角0°近傍の2周期の領域を示している。凡例は規格化半径値である。ある半径位置では傾きが一定であり、その傾きが半径位置によって変化していることがわかる。また段差位置が半径位置によって変化していないことから、段差が半径に沿っていることがわかる。   FIG. 13 shows a bird's-eye view of the calculation result of the phase distribution in the case of the cubed phase distribution of FIG. Since the axis in the vertical direction is a phase difference, it is displayed enlarged from the axis of the spatial coordinates in the plane, so that the actual unevenness of the shape of the phase filter is almost visible. FIG. 14 shows the phase distribution of the cross section in the radial direction of FIG. The value of the legend is a radial angle, which is an angular value of 11 points obtained by dividing one period between steps near the radial angle 0 into 10 parts. In the radial direction, the phase changes in a cubic function with respect to the radius at any radial angle, and the phase value similarly changes from positive to negative depending on the radial angle direction. FIG. 15 is a cross section in the circumferential direction, and shows a two-cycle region in the vicinity of a radial angle of 0 °. The legend is the normalized radius value. It can be seen that the inclination is constant at a certain radial position, and the inclination changes depending on the radial position. Further, since the step position does not change depending on the radial position, it can be seen that the step is along the radius.

高PSNR化の効果を確認するために、図8にねじれスポットのOTFの計算結果を示す。上はシミュレーションの過程で得られた焦点ずれ0における1024×1024のOTF画像であり、一辺が0.235NA/λの空間周波数幅となっている。下はその断面プロファイルをx、y軸に沿って表示したものであり、横軸は画素数である。表示面内における値の積分値は318.45であった。図9は比較のために示したα=20λのCPMにおける同様のOTFである。空間周波数表示エリアは図8と同等であり、プロファイルはx、y軸に沿った方向の分布であるため、図8よりも大きく見えるが、画像からわかるように対角方向で値が小さくなるため、積分値は281.82と図8のねじれスポットのOTFより小さくなっている。このため、これらの逆数によって与えられるデコンボリューションフィルタの増幅ゲインが大きくなり、ノイズが増幅されてCPMではPSNRを劣化しているものと考えられる。   In order to confirm the effect of increasing the PSNR, FIG. 8 shows the calculation result of the twisted spot OTF. The above is an OTF image of 1024 × 1024 with a defocus of 0 obtained in the process of simulation, and one side has a spatial frequency width of 0.235 NA / λ. The bottom shows the cross-sectional profile along the x and y axes, and the horizontal axis indicates the number of pixels. The integrated value of the values in the display surface was 318.45. FIG. 9 shows a similar OTF for CPM of α = 20λ shown for comparison. The spatial frequency display area is the same as in FIG. 8, and the profile is a distribution in the direction along the x and y axes, so it appears larger than in FIG. 8, but the value is smaller in the diagonal direction as can be seen from the image. The integrated value is 281.82, which is smaller than the OTF of the twisted spot in FIG. For this reason, it is considered that the amplification gain of the deconvolution filter given by these reciprocals increases, noise is amplified, and PSNR is degraded in the CPM.

図10は本実施例における本発明のねじれスポットによるデフォーカス量(焦点ずれ)−0.4mm、−0.2mm、0、0.2mm、0.4mmでの波面収差、点像、検出画像、再生画像である。波面収差は収差のある単色光の波面に、同じ波長の垂直入射無収差平面波を重ねたときに生じる干渉縞で表示している。点像はセンサ面上の0.938mm□範囲の256階調の強度分布を輝度1以上の微弱強度も視認できるように明るさを強調して表示している。検出画像はテスト画像をセンサ面上に結像した像の中央の像を示しており、再生画像はデコンボリューション画像処理後の画像である。これらの画像の元画像とのPSNRは図6の「ねじれ」、図7の「3乗」のカーブの値に対応する。点像は±0.4mmで急に周辺部に大きなスポット像が出現しているように見えるが、これは強調表示によるもので、元の明るさレベルでは焦点ずれによる変化はあまり見られない。それに伴い、検出画像のぼけも焦点ずれによらず変化が少なくなっている。デコンボリューション処理後はいずれの焦点ずれ量でも鮮明な像が再生されている。   FIG. 10 shows wavefront aberrations, point images, detected images at defocus amounts (focal shift) of −0.4 mm, −0.2 mm, 0, 0.2 mm, and 0.4 mm according to the present invention. It is a playback image. The wavefront aberration is indicated by interference fringes generated when a vertically incident non-aberration plane wave having the same wavelength is superimposed on the wavefront of monochromatic light having aberration. The point image displays the intensity distribution of 256 gradations in the 0.938 mm square range on the sensor surface with the brightness enhanced so that a weak intensity with a luminance of 1 or more can be visually recognized. The detected image shows the center image of the test image formed on the sensor surface, and the reproduced image is an image after the deconvolution image processing. The PSNR of these images with the original image corresponds to the values of the curves of “twist” in FIG. 6 and “cube” in FIG. The point image is ± 0.4 mm, and it seems that a large spot image suddenly appears in the peripheral portion, but this is due to highlighting, and the change due to defocusing is hardly seen at the original brightness level. Along with this, the blur of the detected image is less changed regardless of the defocus. After the deconvolution process, a clear image is reproduced with any defocus amount.

図11は同様にして、本実施例における位相フィルタを用いることなく通常通りに検出する場合の、焦点ずれによる波面収差、点像、検出画像である。検出画像は印刷の状態によってはぼけが視認できないかもしれないが、PSNR値は図6、図7の「通常」のカーブ値に対応している。   Similarly, FIG. 11 shows wavefront aberrations, point images, and detected images due to defocusing when detection is performed as usual without using the phase filter in the present embodiment. Although blur may not be visible in the detected image depending on the printing state, the PSNR value corresponds to the “normal” curve value in FIGS. 6 and 7.

図12はCPMとねじれ位相フィルタにおける再生像の位置ずれの計算結果である。再生像に位置ずれがあると、PSNRの計算のときにそのままの位置で式(14)の計算をするよりも、当該位置ずれをさせた上で演算した方が、PSNRの値が大きくなる。その位置ずれ量を計算したものである。横軸はデフォーカス量、縦軸は位置ずれを画素サイズを単位として表示している。このようにCPMでは大きく発生していた画像の位置ずれがねじれスポットでは原理的にほぼゼロにできる。Defocus±0.6でわずかに発生しているDefocusは、1024×1024のエリアの中心の512×512のエリアにおいてのみPSNRを計算するときに、ぼけがあると中心画像から周辺エリアへの輝度値のにじみが生じ、それが画像の輝度分布によって必ずしも対称にならないので、もとの画像とのPSNRが少しずれた位置で大きくなるためと推定される。   FIG. 12 shows the calculation result of the positional deviation of the reproduced image in the CPM and the twisted phase filter. If there is a position shift in the reproduced image, the PSNR value becomes larger when the calculation is performed after the position shift is performed, rather than the calculation of Equation (14) at the position when the PSNR is calculated. The amount of displacement is calculated. The horizontal axis represents the defocus amount, and the vertical axis represents the positional deviation in units of pixel size. In this way, image misalignment, which has occurred greatly in CPM, can in principle be almost zero in a twisted spot. Defocus, which is slightly occurring at Defocus ± 0.6, is a luminance value from the central image to the surrounding area when PSNR is calculated only in the 512 × 512 area at the center of the 1024 × 1024 area. It is presumed that the blurring of the image is not necessarily symmetric due to the luminance distribution of the image, so that the PSNR with the original image becomes large at a slightly shifted position.

したがって、今回の評価手法の位置ずれ量は、ぼけが大きい状態ではこの程度の誤差を持つ可能性がある。しかし実際上、CPMの再生画像は大きい位置ずれの画像でも比較的鮮明であるので、CPMに対してはぼけの非対称性の影響というより、本質的な画像の位置ずれとして評価できるものと考える。特性曲線の形としても式(2)から画像の位置ずれに影響するx、yの1次の成分の係数が焦点ずれの係数βの2乗に比例していることから、それが図12のCPMのカーブがほぼ放物線となっていることに対応していると考える。   Therefore, the positional deviation amount of this evaluation method may have such an error in a state where the blur is large. However, in practice, a reproduced image of CPM is relatively clear even with a large misalignment image, so that it can be evaluated as an essential image misregistration rather than an effect of blur asymmetry. As the shape of the characteristic curve, since the coefficient of the first order component of x and y that affects the image positional deviation is proportional to the square of the coefficient β of the focal deviation, it is shown in FIG. I think that it corresponds to the CPM curve being almost parabolic.

図13に示した位相フィルタを実際に金型成形により加工する場合、形状が回転対称でないため、金型の加工には旋盤加工を用いることができない。しかも光学部品であるため、鏡面加工が必要であり、段差があるため磨きもできないので、ある程度の切削速度で切削工具を当てる必要がある。そのため位相フィルタの径の外から工具を進入させるようにすると、位相フィルタの中央部で工具を逃がす必要がある。   When the phase filter shown in FIG. 13 is actually processed by mold forming, the shape is not rotationally symmetric, and therefore lathe processing cannot be used for processing the mold. Moreover, since it is an optical component, mirror processing is required, and polishing is not possible because there is a step, so it is necessary to apply a cutting tool at a certain cutting speed. Therefore, if the tool is entered from outside the diameter of the phase filter, it is necessary to let the tool escape at the center of the phase filter.

そこで金型の中央部に凹部を設けて工具を光学面から退避させるようにするのが望ましい。金型で凹部があるようにするためには、位相フィルタとしては中央部に凸部があるのが望ましい。そこで図16に示すように中央部に凸の位相段差(凸部)40を設けた。ここで段差は10λの波面収差量で与えている。元々、式(15)で与えられる形状では隣接する扇形領域の境界の段差が中央部ほど小さくなるが、その波面収差量が数λ以下になると、段差の両側に入射する光の間で干渉が起き、光線の屈折が幾何光学的な屈折方向とずれて、本発明で期待する効果が低減するおそれがある。そこで、あえて中央部の位相段差40の先端(端面)を平面にすることで、この影響も排除することができる。このような位相フィルタにおいてシミュレーションを行った結果、PSNR値はわずかながら増大し、悪影響はないことを確認した。   Therefore, it is desirable to provide a recess at the center of the mold so that the tool is retracted from the optical surface. In order to make the mold have a concave portion, it is desirable that the phase filter has a convex portion at the center. Therefore, as shown in FIG. 16, a convex phase step (convex portion) 40 is provided at the center. Here, the step is given by a wavefront aberration amount of 10λ. Originally, in the shape given by Equation (15), the step at the boundary between adjacent fan-shaped regions becomes smaller at the center, but when the amount of wavefront aberration becomes several λ or less, interference occurs between the light incident on both sides of the step. As a result, the refraction of light rays deviates from the geometric optical refraction direction, which may reduce the effect expected in the present invention. Therefore, this influence can be eliminated by making the tip (end face) of the phase step 40 in the center part flat. As a result of simulation in such a phase filter, it was confirmed that the PSNR value slightly increased and had no adverse effect.

次に、スマートフォンやウエアラブルデバイスなどのカメラを想定し、少し小さいサイズの光学系条件でのシミュレーション結果を示す。ここでは焦点距離4mm、有効径2mm、センササイズ2mm□、画素数1024×1024、とした。レンズとセンサとの間隔は固定であることを想定し、ピント中心を物体距離400mmに固定した。このときレンズとセンサの間隔は4.04mmである。この条件において、物体を10m、1m、40cm、20cmにおいたときの撮影画像を評価した。このときねじれフィルタの周方向分割数は50分割、最外周の位相段差を8λとした。ノイズは実施例1と同様に標準偏差で最大輝度比0.12%である。   Next, assuming a camera such as a smartphone or a wearable device, a simulation result under a slightly small optical system condition is shown. Here, the focal length is 4 mm, the effective diameter is 2 mm, the sensor size is 2 mm □, and the number of pixels is 1024 × 1024. Assuming that the distance between the lens and the sensor is fixed, the focus center is fixed at an object distance of 400 mm. At this time, the distance between the lens and the sensor is 4.04 mm. Under these conditions, the photographed images when the object was placed at 10 m, 1 m, 40 cm, and 20 cm were evaluated. At this time, the number of divisions in the circumferential direction of the twist filter was 50, and the outermost phase step was 8λ. As in the first embodiment, noise has a standard deviation and a maximum luminance ratio of 0.12%.

図17にシミュレーション結果画像を示す。左の列がねじれ位相フィルタのない状態での通常検出画像、中間の列がねじれ位相フィルタを通して検出された画像、右側の列が検出画像からデコンボリューションによって得られた再生画像である。画像中の数値はPSNR値である。35dBには達していないものの、すべての距離に対してほぼ解像できていることがわかる。   FIG. 17 shows a simulation result image. The left column is a normal detection image without a twisted phase filter, the middle column is an image detected through a twisted phase filter, and the right column is a reproduced image obtained by deconvolution from the detected image. The numerical value in the image is the PSNR value. Although it does not reach 35 dB, it can be seen that the resolution is almost achieved for all distances.

図18には本発明の撮像光学系及び撮像システムの例を示す。組みレンズ1301は第1レンズ1302、第2レンズ1303、絞り1304、ねじれ位相フィルタ1305、第3レンズ1306、第4レンズ1307によって構成され、それらを通して集光される光が、センサモジュール1308内のイメージセンサ1309に結像している。このうち、第3レンズ1306は貼り合わせレンズであり、色消しを兼ねている。また、ねじれ位相フィルタは絞り1304に近接して配置されている。さらにまた組みレンズ1301とセンサモジュール1308が一体として撮像光学系を構成している。なお、ねじれ位相フィルタ1305の構造としては、第1実施例〜第3実施例で用いた位相フィルタの何れも適用可能である。   FIG. 18 shows an example of the imaging optical system and imaging system of the present invention. The combined lens 1301 includes a first lens 1302, a second lens 1303, an aperture 1304, a torsional phase filter 1305, a third lens 1306, and a fourth lens 1307, and light collected through them is an image in the sensor module 1308. An image is formed on the sensor 1309. Among these, the third lens 1306 is a bonded lens and also serves as an achromatic member. Further, the twisted phase filter is disposed in the vicinity of the diaphragm 1304. Furthermore, the assembled lens 1301 and the sensor module 1308 are integrated to form an imaging optical system. As the structure of the twisted phase filter 1305, any of the phase filters used in the first to third embodiments can be applied.

センサからの動画出力は画像処理回路1310によってリアルタイムにデコンボリューション演算が行われ、モニタディスプレイ1311に画像を表示する。画像処理回路の中では、デコンボリューション演算の前に、時々刻々の時系列フレーム画像の、連続する複数のフレーム間で平均化演算を行うことにより、ねじれ位相フィルタを用いても低減しきれないノイズを抑圧する。平均化演算をデコンボリューション演算の前に行うのは、ノイズが増幅されていない状態で平均化した方が効率的であるからである。またこの実施例は、たとえばスマートフォンやウエアラブルデバイスのようなサイズに実施する場合にも基本的な構成としては同じである。   The moving image output from the sensor is subjected to deconvolution calculation in real time by the image processing circuit 1310, and an image is displayed on the monitor display 1311. In the image processing circuit, noise that cannot be reduced even by using a torsional phase filter is performed by performing averaging calculation between multiple consecutive frames of time-series frame images every moment before deconvolution calculation. Repress. The reason why the averaging operation is performed before the deconvolution operation is that it is more efficient to perform averaging in a state where noise is not amplified. In addition, this embodiment is the same as the basic configuration when implemented in a size such as a smartphone or a wearable device.

図19にはねじれ位相フィルタ1405を、絞り1404に最も近接した光学面である、第2レンズ1403の出射面側に、形成した場合の実施例である。このようにすることにより、部品点数を削減することができる。なお、ねじれ位相フィルタ1405の構造としては、第1実施例〜第3実施例で用いた位相フィルタの何れも適用可能である。   FIG. 19 shows an example in which the twisted phase filter 1405 is formed on the exit surface side of the second lens 1403, which is the optical surface closest to the stop 1404. By doing so, the number of parts can be reduced. As the structure of the twisted phase filter 1405, any of the phase filters used in the first to third embodiments can be applied.

以上説明したように、上記した本発明の実施例に係る位相フィルタによれば、再生像の位置ずれを防ぎ、ノイズ増大を抑え、かつ、焦点方向へのスポット分布の一様性に優れた焦点深度拡大像を得ることができる。そして、かかる位相フィルタを用いることで、車載カメラや監視カメラや検査装置カメラやスマートフォンのカメラなどにおいて、信頼性を維持して奥行き方向の視野範囲を広げ、初期調整のピント調整精度を緩和させることができる。   As described above, according to the above-described phase filter according to the embodiment of the present invention, the focal point that prevents the positional deviation of the reproduced image, suppresses the increase in noise, and is excellent in the uniformity of the spot distribution in the focal direction. A depth-enlarged image can be obtained. And by using such a phase filter, in-vehicle cameras, surveillance cameras, inspection device cameras, smartphone cameras, etc., maintain reliability and widen the visual field range in the depth direction, and relax the focus adjustment accuracy of the initial adjustment. Can do.

10 光軸
20 傾斜面
30 段差
40 位相段差(凸部)
101 位相フィルタ
102、103 レンズ
104、106 入射光線
105 焦点
107 最小錯乱円
1301、1401 組みレンズ
1302、1402 第1レンズ
1303 第2レンズ
1304、1404 開口絞り
1305 ねじれ位相フィルタ
1306、1406 第3レンズ
1307、1407 第4レンズ
1308、1408 センサモジュール
1309、1409 イメージセンサ
1310 画像処理回路
1311 モニタディスプレイ
1403 ねじれ位相フィルタ一体レンズ
1405 レンズ一体型ねじれ位相フィルタ
10 optical axis 20 inclined surface 30 step 40 phase step (convex)
101 Phase filter 102, 103 Lens 104, 106 Incident ray 105 Focus 107 Minimum circle of confusion 1301, 1401 Combination lens 1302, 1402 First lens 1303 Second lens 1304, 1404 Aperture stop 1305 Twisted phase filter 1306, 1406 Third lens 1307, 1407 Fourth lens 1308, 1408 Sensor module 1309, 1409 Image sensor 1310 Image processing circuit 1311 Monitor display 1403 Twist phase filter integrated lens 1405 Lens integral type twist phase filter

Claims (16)

透明材料から成り、光軸を有する位相フィルタであって、
前記位相フィルタの表面は、前記光軸の周りに連続的に形成されるn個(但し、nは2以上の自然数)の傾斜面と、隣り合う前記傾斜面の境界に形成される段差とを有する曲面で構成され、
前記光軸に平行に入射する光束の光線を、前記曲面を介して前記光軸に対する周方向に偏向屈折させるようにし
前記光軸に平行に入射する光線の前記周方向への偏向角は、前記入射する光線の前記光軸からの半径方向における距離が離れるほど大きいことを特徴とする位相フィルタ。
A phase filter made of a transparent material and having an optical axis,
The surface of the phase filter has n inclined surfaces (where n is a natural number of 2 or more) formed continuously around the optical axis, and a step formed at the boundary between the adjacent inclined surfaces. Composed of curved surfaces,
The light beam incident parallel to the optical axis is deflected and refracted in the circumferential direction with respect to the optical axis through the curved surface ,
A phase filter in which a deflection angle in the circumferential direction of a light beam incident in parallel to the optical axis increases as a distance in a radial direction of the incident light beam from the optical axis increases .
透明材料から成り、光軸を有する位相フィルタであって、
前記位相フィルタの表面は、前記光軸の周りに連続的に形成されるn個(但し、nは2以上の自然数)の傾斜面と、隣り合う前記傾斜面の境界に形成される段差とを有する曲面で構成され、
前記光軸に平行に入射する光束の光線を、前記曲面を介して前記光軸に対する周方向に偏向屈折させるようにし、
前記各傾斜面の、前記光軸に垂直な面に対する前記周方向への傾斜角の絶対値は、前記光軸から半径方向に距離が離れるほど大きいことを特徴とする位相フィルタ。
A phase filter made of a transparent material and having an optical axis,
The surface of the phase filter has n inclined surfaces (where n is a natural number of 2 or more) formed continuously around the optical axis, and a step formed at the boundary between the adjacent inclined surfaces. Composed of curved surfaces,
The light beam incident parallel to the optical axis is deflected and refracted in the circumferential direction with respect to the optical axis through the curved surface,
An absolute value of an inclination angle of each of the inclined surfaces in the circumferential direction with respect to a surface perpendicular to the optical axis increases as the distance from the optical axis increases in the radial direction .
透明材料から成り、光軸を有する位相フィルタであって、
前記位相フィルタの表面は、前記光軸の周りに連続的に形成されるn個(但し、nは2以上の自然数)の傾斜面と、隣り合う前記傾斜面の境界に形成される段差とを有する曲面で構成され、
前記光軸に平行に入射する光束の光線を、前記曲面を介して前記光軸に対する周方向に偏向屈折させるようにし、
前記各傾斜面の、前記光軸に垂直な面に対する半径方向への傾斜角は、前記光軸からの半径方向における距離が離れるほど大きいことを特徴とする位相フィルタ。
A phase filter made of a transparent material and having an optical axis,
The surface of the phase filter has n inclined surfaces (where n is a natural number of 2 or more) formed continuously around the optical axis, and a step formed at the boundary between the adjacent inclined surfaces. Composed of curved surfaces,
The light beam incident parallel to the optical axis is deflected and refracted in the circumferential direction with respect to the optical axis through the curved surface,
A phase filter , wherein an inclination angle of each inclined surface in a radial direction with respect to a surface perpendicular to the optical axis increases as a distance in the radial direction from the optical axis increases .
透明材料から成り、光軸を有する位相フィルタであって、
前記位相フィルタの表面は、前記光軸の周りに連続的に形成されるn個(但し、nは2以上の自然数)の傾斜面と、隣り合う前記傾斜面の境界に形成される段差とを有する曲面で構成され、
前記光軸に平行に入射する光束の光線を、前記曲面を介して前記光軸に対する周方向に偏向屈折させるようにし、
前記各傾斜面の、前記光軸に対する半径方向に沿った面形状は、入射光線の前記光軸からの距離の3乗に比例する凹凸量を有することを特徴とする位相フィルタ。
A phase filter made of a transparent material and having an optical axis,
The surface of the phase filter has n inclined surfaces (where n is a natural number of 2 or more) formed continuously around the optical axis, and a step formed at the boundary between the adjacent inclined surfaces. Composed of curved surfaces,
The light beam incident parallel to the optical axis is deflected and refracted in the circumferential direction with respect to the optical axis through the curved surface,
The phase shape of each inclined surface along the radial direction with respect to the optical axis has a concavo-convex amount that is proportional to the cube of the distance of the incident light beam from the optical axis .
前記曲面は、前記光軸の周りにn回の回転対称となる形状であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の位相フィルタ。 5. The phase filter according to claim 1 , wherein the curved surface has a shape that is n times rotationally symmetric about the optical axis. 前記各傾斜面の、前記光軸に垂直な面に対する前記周方向への傾斜角は、前記光軸に対する半径方向の同一位置において前記周方向の位置によらず一定であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の位相フィルタ。 The angle of inclination of each inclined surface in the circumferential direction with respect to a surface perpendicular to the optical axis is constant regardless of the position in the circumferential direction at the same radial position with respect to the optical axis. The phase filter according to any one of claims 1 to 4 . 前記各段差の高さは、前記光軸に対する半径方向への距離が離れるほど大きいことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の位相フィルタ。 5. The phase filter according to claim 1 , wherein a height of each step is increased as a radial distance from the optical axis is increased. 前記曲面は、前記光軸に平行に入射する光束の光線の全てを、集光レンズによって集光された焦点面上においても互いにねじれて近接しながら交わらずにぼけた状態となるように偏向屈折させることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の位相フィルタ。 The curved surface is deflected and refracted so that all of the light beams incident in parallel to the optical axis are in a blurred state without twisting each other on the focal plane collected by the condenser lens. The phase filter according to any one of claims 1 to 4, wherein the phase filter is used. 前記光軸近傍に、前記光軸に沿って突出し、先端が平面で構成される凸部が設けられることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の位相フィルタ。 5. The phase filter according to claim 1 , wherein a convex portion that protrudes along the optical axis and has a flat tip is provided in the vicinity of the optical axis. 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の位相フィルタと、複数の屈折面で構成される結像レンズと、絞りと、イメージセンサとによって少なくとも構成される撮像光学系。 An imaging optical system comprising at least the phase filter according to any one of claims 1 to 4, an imaging lens composed of a plurality of refractive surfaces, a stop, and an image sensor. 前記位相フィルタの前記曲面は、前記結像レンズのどの屈折面よりも前記絞りからの距離が遠くない位置に配置されることを特徴とする請求項1に記載の撮像光学系。 The curved surface of the phase filter, the imaging optical system according to claim 1 0, characterized in that said more than any refracting surface of the imaging lens is located at a position distance not far from the diaphragm. 前記位相フィルタの前記曲面が、前記結像レンズの屈折面上に一体となって付加されていることを特徴とする請求項1に記載の撮像光学系。 Wherein the curved surface of the phase filter, the imaging optical system according to claim 1 0, characterized in that it is added together on the refracting surface of the imaging lens. 請求項1に記載の撮像光学系と、前記イメージセンサからの画像信号出力に対して、前記撮像光学系による点像のぼけを除去して再生画像上の輝点として再生する画像処理回路が一体として構成される撮像システム。 An imaging optical system according to claim 1 0, the image signal output from the image sensor, an image processing circuit for reproducing a bright spot on the blur is removed reproduced image of a point image by the imaging optical system An imaging system configured as an integral unit. 前記画像信号出力は、時系列な動画像信号であることを特徴とする請求項1に記載の撮像システム。 The imaging system of claim 1 3, wherein the image signal output is a time series motion picture signal. 前記画像処理回路には、前記時系列な動画像信号のある時刻の画像フレームに対し、少なくとも直前の画像フレームとの平均化処理機能を有することを特徴とする請求項1に記載の撮像システム。 Wherein the image processing circuit, an imaging system according to claim 1 4 wherein during the image frame of a certain time-series moving picture signal, characterized in that it comprises an averaging processing functions of at least the immediately preceding image frame . 前記平均化処理機能は、前記点像のぼけを除去する処理の前に行うことを特徴とする請求項1に記載の撮像システム。 The imaging system according to claim 15 , wherein the averaging processing function is performed before processing for removing blur of the point image.
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