CN103460108A - 焦点扩展光学系统以及EDoF摄像系统 - Google Patents

Abstract

不损害景深，提高由软件识别在近景图像拍到的字符等的识别率。焦点扩展光学系统(11)具有：光学透镜(11)，其使来自被摄体(14)的光在摄像元件成像；和焦点扩展元件，其调节波阵面，以使该光学透镜(11)的成像位置根据距光轴(L0)的距离而变化，从而扩展焦点范围。进而，在将摄像元件(12)的奈奎斯特频率的1／2的空间频率下的MTF设为第1MTF，将1／4的空间频率下的MTF设为第2MTF时，满足第2MTF相对于第1MTF为3倍以下的值这样的条件。

Description

焦点扩展光学系统以及EDoF摄像系统

技术领域

本发明涉及扩展光学透镜的焦深(焦点深度)的光学系统(以下称作焦点扩展光学系统)、和对通过该焦点扩展光学系统拍摄的图像实施还原处理(去卷积(deconvolution)处理)来使其锐化的EDoF摄像系统。

背景技术

在便携式电话机、PDA、小型笔记本型个人计算机等中搭载数码相机已经成为标准配置。过去，搭载于这样便携式电话机等中的数码相机为了小型且廉价地制造，例如一般使用固定焦点光学透镜，无法谋求高画质的摄影图像。但是，近年来，对于这样的简易的数码相机也开始谋求摄影图像的画质提升。

另外，搭载于便携式电话机等的数码相机在从数米外的人物或风景摄影等数米外的被摄体摄像到为了读取字符或二维码等的数十厘米外的像的摄像中都有使用。为了进行宽范围的被摄体距离下的摄影，需要按照摄影距离来对焦，但是，在便携式电话等中搭载的数码相机中，由于小型且廉价是必须的，因此难以设置焦点调节机构。

为此，近年来，从成本等方面出发，在便携式电话机等的装置中，开始使用EDoF(Extended Depth of Field，扩展景深)摄像系统，作为不用对焦就能够覆盖数十厘米程度的微距摄影域到大致无限远的摄像距离范围的数码相机(专利文献1～3)。EDoF摄像系统是如下摄像系统：使用对应于距光轴的距离(入射高度)通过相位板等使焦点距离不同的焦点扩展光学系统来摄像，通过还原处理使所得到的影像模糊的图像锐化，以得到与用景深宽的光学透镜拍摄的同等的图像。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：JP特开2010-213274号公报

专利文献2：JP特开2007-206738号公报

专利文献3：JP特开2006-094471号公报

发明内容

发明要解决的课题

在将通过EDoF摄像系统以作为近景而拍摄的字符或二维码等作为被摄体的情况下，不是仅人眼看到能识别为字符等即可，而且谋求取得能由OCR(Optical Character Recognition，光学字符识别)应用或解码应用等的软件从拍摄的图像正确地识别字符等的图像。人进行的识别与基于OCR等软件的字符等的识别不同，即使是人眼看到能识别为字符等的图像，也有在软件中不能正确识别的情况。

但是，在现有的EDoF摄像系统中，由于扩展了景深，因此人能识别在拍摄近景的图像(以下称作近景图像)中拍到的字符等。但是，在现有的EDoF摄像系统中，存在难以得到能由OCR等的软件正确识别字符等的图像。

为了由OCR等软件正确识别在近景图像中拍到的字符等，提升对比度和分辨率等的所谓画质即可。但是，在EDoF摄像系统中，画质与景深是此消彼长的关系。因此，若要提升基于软件的字符识别率，则不得不缩窄景深，存在反而损害作为扩展景深这样的EDoF摄像系统的本来的功能的问题。

本发明目的在于提供一种焦点扩展光学系统以及EDoF摄像系统，不损害景深、提高由OCR等从近景图像识别字符等的识别率。

用于解决课题的手段

本发明的焦点扩展光学系统具备：光学透镜，其使来自被摄体的光成像于摄像元件；和焦点扩展元件，其调节波阵面以使该光学透镜的成像位置根据距光轴的距离变化，从而扩展焦点范围。进而，在将摄像元件的奈奎斯特频率的1／2的空间频率下的MTF设为第1MTF，将1／4的空间频率下的MTF设为第2MTF时，满足第2MTF相对于第1MTF为3倍以下的值这样的条件。

优选在使用泽尼克多项式Zj(n，m)以及系数Kj以ψ＝∑Kj·Zj来表征透射波阵面ψ、将表示散焦的第4项Z₄(n＝2，m＝0)的系数设为K₄时，第2MTF相对于第1MTF为3倍以下的系数K₄的范围包含0，为0.6以上的大小。

优选第2MTF相对于第1MTF为3倍以下的系数K₄的范围包含0，为0.9以上的大小。

优选第2MTF相对于第1MTF为3倍以下的系数K₄的范围包含0，负侧的范围的大小为0.3以上的大小。

优选第2MTF相对于第1MTF为3倍以下的系数K₄的范围包含0，负侧的范围的大小为0.6以上的大小。

优选第2MTF为0.4以上。

优选第2MTF为0.5以上。

优选光学透镜以及所述焦点扩展元件不在光轴方向上移动地被固定。

本发明的EDoF摄像系统具备拍摄被摄体的像的摄像元件和焦点扩展光学系统。焦点扩展光学系统具有：光学透镜，其使来自被摄体的光成像于摄像元件；和焦点扩展元件，其调节波阵面以使该光学透镜的成像位置根据距光轴的距离而变化，从而扩展光学透镜的焦点范围。进而，在将摄像元件的奈奎斯特频率的1／2的空间频率下的MTF设为第1MTF、将1／4的空间频率下的MTF设为第2MTF时，满足第2MTF相对于所述第1MTF为3倍以下的值这样的条件。

优选具备：图像处理部，其通过对摄像元件输出的数据实施还原处理来生成扩展了景深的图像。

发明效果

根据本发明，不损害景深，能提高软件识别在近景图像拍到的字符等的识别率。

附图说明

图1是表示EDoF摄像系统的构成的框图。

图2是表示焦点扩展光学系统的构成的说明图。

图3A是示意表征被摄体的任意的点的像的RAW数据的图。

图3B是示意表征RAW数据中的点像的像素值的分布的曲线图。

图3C是示意表征RAW数据的频率MTF的曲线图。

图3D是示意表示还原处理后的点像的图像数据的图。

图3E是示意表征还原处理后的点像的像素值的分布的曲线图。

图3F是示意表征还原处理后的频率MTF的曲线图。

图4是表示通常光学透镜和焦点扩展光学系统的散焦MTF的曲线图。

图5是表示焦点扩展光学系统#1、#2的频率MTF的曲线图。

图6A是使用焦点扩展光学系统#1得到的图像。

图6B是使用焦点扩展光学系统#2得到的图像。

图7A是表示焦点扩展光学系统#3的频率MTF的曲线图。

图7B是示意表示用焦点扩展光学系统#3拍摄的图表图像的图。

图7C是表示用焦点扩展光学系统#3拍摄的图像的波形的曲线图。

图8A是表示焦点扩展光学系统#4的频率MTF的曲线图。

图8B是示意表示用焦点扩展光学系统#4拍摄的图表图像的图。

图8C是示意表示用焦点扩展光学系统#4拍摄的图像的波形的曲线图。

图9A是表示焦点扩展光学系统#5的频率MTF的曲线图。

图9B是示意表示用焦点扩展光学系统#5拍摄的图表图像的图。

图9C是表示用焦点扩展光学系统#5拍摄的图像的波形的曲线图。

图10是表示通常光学透镜的散焦MTF的曲线图。

图11是表示通常光学透镜的散焦范围的曲线图。

图12是表示焦点扩展光学系统#6的散焦MTF的曲线图。

图13是表示焦点扩展光学系统#6的散焦范围的曲线图。

图14是表示焦点扩展光学系统#7的散焦MTF的曲线图。

图15是表示焦点扩展光学系统#7的散焦范围的曲线图。

图16是表示焦点扩展光学系统#8的散焦MTF的曲线图。

图17是表示焦点扩展光学系统#8的散焦范围的曲线图。

图18A是通常光学透镜图像的示例。

图18B是用焦点扩展光学系统#6得到的图像的示例。

图18C是用焦点扩展光学系统#7得到的图像的示例。

图18D是用焦点扩展光学系统#8得到的图像的示例。

具体实施方式

如图1所示，EDoF摄像系统10具备：焦点扩展光学系统11、摄像元件12、图像处理部13。EDoF摄像系统10主要在两种用途中使用，即：风景或人物等数米外的～无限远的远景摄像、和字符或二维码等在数十厘米程度的距离拍摄的近景摄像。

焦点扩展光学系统11用于使从被摄体14入射的光在摄像元件12成像，如后述那样包含多个光学透镜、和用于使光学透镜的焦点扩展的焦点扩展元件。例如，焦点扩展光学系统11使包含光轴的中心附近的光束会聚在近前侧(被摄体14侧)，使穿过外侧的光束会聚在后侧(摄像元件12侧)。由此，焦点扩展光学系统11对应于入射高度而焦点变化。

焦点扩展光学系统11的光学性能被设计为在具体的EDoF摄像系统10中使用的性能，在该实施方式中，使用F值(Fn)为2.29的固定焦点光学透镜。另外，光学透镜的分辨力δ与F值(Fn)成反比，若将参考波长设为λ(nm)，则δ＝1／Fn／λ。因此，若设为参考波长λ＝546n，则焦点扩展光学系统11的分辨力δ为约800线／mm。这与后述的摄像元件12的采样频率fs大致相等，是奈奎斯特频率(nyquist freqency)Ny的2倍程度。

另外，如后述那样，焦点扩展光学系统11形成为奈奎斯特频率Ny的1／4的低频率下的MTF值成为奈奎斯特频率Ny的1／2的高频率下的MTF值的3倍以下。进而，焦点扩展光学系统11形成为：在散焦MTF下，奈奎斯特频率Ny的1／4的低频率下的MTF值成为奈奎斯特频率Ny的1／2的高频率下的MTF值的3倍以下的范围大于球面光学透镜，成为1.5倍以上。

摄像元件12通过将由焦点扩展光学系统11成像的被摄体14的像按每个像素进行光电变换，由此来进行摄像，将得到的RAW数据输出给图像处理部13。摄像元件12配置为排列多个像素的摄像面位于焦点扩展光学系统11的焦点范围内。

另外，作为摄像元件12，使用在具体的EDoF摄像系统10求得的性能的摄像元件，以下，像素间距p为1.25μm。即，摄像元件12的采样频率fs设为fs＝1／p＝800线／mm。因此，奈奎斯特频率Ny为400线／mm。

图像处理部13由DSP或DIP等构成，对摄像元件12输出的RAW数据实施各种图像处理，来变换为整体鲜明的图像15。具体地，图像处理部13对RAW数据按照还原处理、减噪处理、混色补正处理、阴影补正处理、白平衡调整处理、同步处理、色矩阵补正处理、YC变换处理、γ补正处理、边缘强调处理的顺序实施这些处理，生成给定格式(例如jpeg)的图像15。

如图2所示，焦点扩展光学系统11例如具备多个光学透镜11a、11b、和焦点扩展元件16。光学透镜11a将从被摄体14的点14a作为球面波而射出的光整理为平面波，并使其入射到焦点扩展元件16。光学透镜11b使从焦点扩展元件16入射的光会聚。焦点扩展元件16对从光学透镜11a入射的平面波调节波阵面，以使得穿过包含光轴L0的中心部分的光束(下面称作内光束)L1和穿过内光束L1的周围的光束(下面称作外光束)L2的直到被光学透镜11b会聚为止的距离不同。具体地，焦点扩展光学系统11使入射高度小的内光束L1会聚在短距离的焦点F1，使入射高度大的外光束L2会聚在远距离的焦点F2。因此，焦点扩展光学系统11将焦点由一点扩大为从短距离焦点F1到远距离焦点F2间的焦点范围E。如前述那样，由于摄像元件12配置在焦点范围E内的给定位置，因此摄像元件12输出的RAW数据成为会聚在焦点F1的像、会聚在焦点F2的像、或者会聚在焦点F1和F2之间的像在模糊的状态下叠合的数据。下面，将摄像元件12配置在焦点F2，以使得无限远的远景成为最佳对焦。

如图3A所示那样，在从摄像元件12输出的RAW数据21中，被摄体14的某点14a的像对应于摄像元件12的配置成为模糊的像。由此，例如，如图3B所示，点14a的像，作为像素值，广泛地分布在RAW数据21的线A-B方向上。由此，如图3C所示，若就如RAW数据21那样，则针对空间频率Fq的MTF(下面称作频率MTF)随着空间频率Fq的增大而急剧减少，分辨率较低。

但是，通过用图像处理部13实施还原处理(所谓的去卷积处理)，如图3D所示的还原处理后的图像数据22那样，点14a成为不模糊的点像。即，在还原处理中，从广泛的像素值的分布(图3B)被锐化为图3E所示那样具有陡峭的峰值。由此，如图3F所示，频率MTF恢复到与用通常的固定焦点光学透镜进行摄像的情况相同程度，得到给定的分辨率。另外，还原处理由于在此与例示的点14a的像相同地将在RAW数据21叠合的成像在焦点F1、焦点F2(或其间)的像根据其焦点位置来各自锐化，因此，比起用固定焦点光学透镜拍摄的图像，能得到深化了景深的图像15。

若针对相对于散焦的MTF的变化(下面称作散焦MTF)来比较与焦点扩展光学系统11同样地用在便携式电话机等中的一般的固定焦点光学透镜(下面称作通常光学透镜)、和焦点扩展光学系统11，则如图4所示，通常光学透镜虽然在最佳对焦位置(散焦＝0.0mm的位置)MTF值大于焦点扩展光学系统11，但若聚焦位置移位，则MTF与焦点扩展光学系统11相比急剧减少。这表示，即使是从最佳对焦位置稍稍偏移的被摄体，像的模糊也较大。另外，在将摄像元件12置于焦点范围E中的焦点F2的情况下，最佳对焦位置的MTF表征例如无限远等拍摄远景的情况下的分辨率，在-0.3～-0.5mm程度散焦的位置表征拍摄近景的情况下的分辨率。由此，通常光学透镜虽然能以高分辨率拍摄远景的风景或人物，但在拍摄近景的情况下分辨率较低，例如在拍摄纸面或监视器的字符等的情况下，人眼都难以读取字符等。

另一方面，在焦点扩展光学系统11的情况下，由于远景的MTF与近景的MTF是此消彼长的关系，因此最佳对焦位置的MTF小于通常光学透镜。但是，焦点扩展光学系统11即使从最佳对焦位置偏移也能缓和MTF的减少，能得到能通过还原处理使像锐化程度的一定以上的MTF值。由此，通过对用焦点扩展光学系统11拍摄的RAW数据实施还原处理来生成图像15，至少人眼能读取在近景图像拍到的字符等。

另外，通常光学透镜的散焦MTF不论相对于最佳对焦位置散焦的方向(正负)如何，都是相对于最佳对焦位置对称的曲线形状。另一方面，焦点扩展光学系统11由于为了提升近景的MTF，在使聚焦位置向负方向移位的情况下得到给定以上的分辨率，因此，焦点扩展光学系统11的散焦MTF成为相对于最佳对焦位置非对称的曲线形状。

如上述那样，得到人眼能读取字符等的近景图像的焦点扩展光学系统能制作为各种特性，但仅是人眼能识别字符等，并不意味着能由OCR等软件正确地识别字符等。这是因为人眼和软件进行的字符等的识别的方式相异。

在由人眼进行的情况下，只要有某种程度的分辨率，则对比度高的字符等易于读取。另一方面，在由OCR等软件进行的情况下，比起像的对比度，像的波形更重要。例如，字符等像的波形越接近矩形波则能正确识别的比率越高，但即使是对比度高、用人眼看易于读取的字符等，也存在像的波形越接近三角波则能正确的识别的比率越低的倾向。如前述那样，若提高分辨率(MTF)就能使基于软件的字符等的识别率提升，但在焦点扩展光学系统的情况下，远景图像的画质也不得不保持在一定以上，由于远景图像用的最佳对焦位置下的频率MTF、和近景图像用的在负地散焦的位置的频率MTF是此消彼长的关系，因此，为了从近景图像用软件正确识别字符等而提高向负侧散焦的位置下的频率MTF，则会牺牲在远景图像的频率MTF。

为此，构成EDoF摄像系统10的焦点扩展光学系统11按照至少在最佳对焦位置使奈奎斯特频率Ny的1／4的低频率(下面称作1／4Ny)下的频率MTF的值成为奈奎斯特频率Ny的1／2的高频率(下面称作1／2Ny)下的频率MTF的值的3倍以下的方式来确定1／4Ny下的频率MTF和1／2Ny下的频率MTF的比率。由此，在EDoF摄像系统10中，不损害远景图像以及近景图像的画质，人眼看到能从近景图像识别字符等，且用基于OCR等的软件也能从近景图像正确识别字符等。

下面，说明调节1／2Ny下的频率MTF与1／4Ny的频率MTF的比率所起到的作用。另外，由于焦点扩展光学系统11的分辨力δ与摄像元件12的采样频率fs大致相等(约800线／mm)，因此，EDoF摄像系统10的分辨率基于摄像元件12的采样频率fs(800线／mm)。由此，在EDoF摄像系统10中，1／2Ny为400线／mm，1／4Ny为200线／mm。另外，在近景图像拍到的字符等的幅度(字符的线宽)因摄影距离等条件不同而不同，但在下面为了简单，字符等的幅度为2～3像素程度，字符等为1／2Ny程度的高频率的像。

如图5所示，作为一例，在最佳对焦位置(散焦0.0mm)比较2个种类的焦点扩展光学系统。焦点扩展光学系统#1的1／2Ny下的频率MTF为0.1，1／4Ny下的频率MTF为0.2。因此，焦点扩展光学系统#1的1／2Ny下的频率MTF与1／4Ny下的频率MTF之比为1：2，满足1／4Ny下的频率MTF为1／2Ny下的频率MTF的3倍以下这样的在焦点扩展光学系统11中设置的条件。

焦点扩展光学系统#2与焦点扩展光学系统#1同样，1／2Ny下的频率MTF为0.1，但1／4Ny下的频率MTF为0.5，大于焦点扩展光学系统#1。焦点扩展光学系统#2的1／2Ny下的频率MTF与1／4Ny下的频率MTF之比为1：5，不满足1／4Ny下的频率MTF为1／2Ny下的频率MTF的3倍以下这样的在焦点扩展光学系统11中设置的条件。

在图6A和图6B示出由上述焦点扩展光学系统#1、#2在一定的摄影条件下拍摄“film”的字符的情况下得到的图像。图6A、图6B都是通过模拟而得到的图像。

若比较图6A所示的由焦点扩展光学系统#1得到的图像31、和图6B所示的由焦点扩展光学系统#2得到的图像32，则都能由人眼充分识别“film”的字符。但是，但由于由焦点扩展光学系统#1得到的图像31与由焦点扩展光学系统#2得到的图像32相比对比度低，因此，若比较两者，则由焦点扩展光学系统#2得到的图像32一方更易于识别“film”的字符。

但是，若用OCR软件来识别“film”的字符，虽然图6A的由焦点扩展光学系统#1得到的图像31能正确识别“film”的字符。但不能从图6B的由焦点扩展光学系统#2得到的图像32正确识别“film”的字符。这是因为，虽然由焦点扩展光学系统#1得到的图像31对比度低，但字符部分的浓度分布的波形接近于矩形波，由焦点扩展光学系统#2得到的图像32虽然对比度高，但字符部分的浓度分布的波形接近于三角波。

拍摄的像的波形能通过调节1／2Ny下的频率MTF、与1／4Ny下的频率MTF的比率来变更。

例如，如图7A所示，在1／2Ny下的频率MTF为0.2、1／4Ny下的频率MTF为0.4的焦点扩展光学系统#3的情况下，1／2Ny下的频率MTF与1／4Ny下的频率MTF之比为1：2。在用该焦点扩展光学系统#3拍摄1／2Ny程度的高频图表时，能得到如图7B所示那样对比度高且如图7C所示那样像的波形为大致完全的矩形波的图表图像41。

另一方面，如图8A所示，在1／2Ny下的频率MTF为0.1、1／4Ny下的频率MTF为0.4的焦点扩展光学系统#4的情况下，1／2Ny下的频率MTF与1／4Ny下的频率MTF之比为1：4。若将焦点扩展光学系统#4与焦点扩展光学系统#3进行比较，则焦点扩展光学系统#4是1／2Ny下的频率MTF减半，1／4Ny下的频率MTF不变的焦点扩展光学系统。在用该焦点扩展光学系统#4拍摄1／2Ny程度的高频图表时，如图8B所示，虽然对比度与由焦点扩展光学系统#3得到的图像大致相同，但图8C所示，得到像的波形接近于三角波的图表图像42。

进而，如图9A所示，在1／2Ny下的频率MTF为0.1、1／4Ny下的频率MTF为0.2的焦点扩展光学系统#5的情况下，1／2Ny下的频率MTF与1／4Ny下的频率MTF之比为1：2。若将焦点扩展光学系统#5与图7A的焦点扩展光学系统#3进行比较，则焦点扩展光学系统#5是虽然1／2Ny下的频率MTF与1／4Ny下的频率MTF之比相同但1／2Ny下的频率MTF和1／4Ny下的频率MTF都减半的焦点扩展光学系统。另外，若将焦点扩展光学系统#5与图8A的焦点扩展光学系统#4进行比较，则焦点扩展光学系统#5是1／2Ny下的频率MTF相等、1／4Ny下的频率MTF减半的焦点扩展光学系统，1／2Ny下的频率MTF与1／4Ny下的频率MTF之比也不同。

在用该焦点扩展光学系统#5拍摄1／2Ny程度的高频图表时，如图9B所示，对比度比焦点扩展光学系统#3、#4都低，但如图9C所示，能得到像的波形接近于矩形波的图表图像43。

若比较图7A、图8A、图9A的焦点扩展光学系统#3～#5则可知，1／4Ny下的频率MTF相对于1／2Ny下的频率MTF之比小的即使拍摄相同的高频的图表，像的波形也接近于矩形波。

由此，一般改变1／2Ny与1／4Ny下的频率MTF之比一边通过模拟来作成与上述相同的图表图像，取得所得到的图表图像的像的波形、与三角波以及矩形波的相关。于是，在1／2Ny下的频率MTF与1／4Ny下的频率MTF之比(1／2Ny下的频率MTF：1／4Ny下的频率MTF)大于1：3的情况下，即，在1／4Ny下的频率MTF大于1／2Ny下的频率MTF的3倍的情况下，图表图像的波形与三角波的相关高于矩形波。另一方面，在1／2Ny下的频率MTF与1／4Ny下的频率MTF之比为1：3以下的情况下，即，在1／4Ny下的频率MTF为1／2Ny下的频率MTF的3倍以下的情况下，图表图像的波形与矩形波的相关高于三角波。为此，搭载于EDoF摄像系统10的焦点扩展光学系统11满足1／2Ny下的频率MTF与1／4Ny下的频率MTF之比为1：3以下这样的条件地形成。

另外，说明了最佳对焦位置(散焦±0.0mm)的1／2Ny以及1／4Ny的频率MTF与像的波形的关系，但EDoF摄像系统10是通过对在最佳对焦位置以外以模糊的状态拍摄的像进行图像处理来还原，从而使景深深化的摄像系统。由此，焦点扩展光学系统11虽然需要至少在最佳对焦位置满足上述条件，仅在最佳对焦位置附近的极窄范围满足上述条件，也不能说易于得到能由OCR等的软件识别字符等的识别率高的近景图像。

因此，对于散焦，优选在某种程度的范围内满足上述条件。为此，焦点扩展光学系统11优选泽尼克(Zernike)多项式第4项Z₄的系数K₄(后述)范围为0.6(与通常光学透镜相同)以上，更优选为0.75(通常光学透镜的1.25倍)以上，特别优选0.9(通常光学透镜的1.5倍)以上，其中，在散焦MTF中包含最佳对焦位置，1／2Ny下的频率MTF与1／4Ny下的频率MTF之比成为1：3以下。

下面，说明相对于系数K₄的散焦MTF、和1／2Ny与1／4Ny下的MTF之比成为3以下的范围。另外，泽尼克多项式Z使用距光轴的距离ρ(ρ<1)和距给定方向(例如S方向)的角度θ、整数m、n、s，用下述数式1来表征，焦点扩展光学系统11的波阵面ψ能使用系数Kj，用ψ＝∑Kj·Zj来表征。第4项Z₄(n＝2，m＝0)是表征波阵面的散焦的项，该系数K₄表示散焦的大小。另外，系数K₄和散焦量△有下述数式2的关系。D为口径(mm)、f为焦点距离(mm)、波長为λ(nm)。

[数式1]

$Z_{n,m}(\mathrm{\&rho;},\mathrm{\&theta;})=\underset{s=0}{\overset{n/2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&rho;}}^{n-2s}R\left(s\right)(m=0)$

$Z_{n,m}(\mathrm{\&rho;},\mathrm{\&theta;})=\underset{s=0}{\overset{(n-|m\left|\right)/2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&rho;}}^{n-2s}R\left(s\right)\cos \left(\mathrm{m\&theta;}\right)(m>0)$

$Z_{n,m}(\mathrm{\&rho;},\mathrm{\&theta;})=\underset{s=0}{\overset{(n-|m\left|\right)/2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&rho;}}^{n-2s}R\left(s\right)\sin \left(\mathrm{m\&theta;}\right)(m<0)$

$R\left(s\right)={(-1)}^s\frac{(n-s)!}{s!(\frac{n+\left|m\right|}{2}-s)!(\frac{n-\left|m\right|}{2}-s)!}$

[数式2]

$\mathrm{\&Delta;}=\frac{{(\sqrt{f^2+\frac{D^2}{4}}-2\mathrm{\&lambda;}{K}_4)}^2-f^2-\frac{D^2}{4}}{2\{f-(\sqrt{f^2+\frac{D^2}{4}}-2{\mathrm{\&lambda;K}}_4)\}}$

如图10所示，相对于通常光学透镜的系数K₄的散焦MTF是相对于最佳对焦位置(K₄＝0.0)对称曲线形状，最佳对焦位置上的1／2Ny的高频像的MTF为0.69，1／4Ny的低频像的MTF为0.85。因此，在通常光学透镜的情况下，在最佳对焦位置，1／4Ny的低频像的MTF相对于1／2Ny的高频像的MTF之比为约1.23。

1／4Ny的低频像散焦MTF相对于1／2Ny的高频像散焦MTF之比成为3以下且包含最佳对焦位置(K₄＝0.0)的系数K₄的范围是能由软件正确识别字符等不变而能散焦的范围。为此，下面将该范围设为散焦范围。

如图11所示，通常光学透镜的情况下，散焦范围d(N)为-0.30≤K₄≤+0.30，其幅度W(N)为0.6。另外，散焦范围d(N)的从最佳对焦位置(K4＝0.0)起的负侧的范围的大小为0.3。

由于EDoF摄像系统10是以比上述的通常光学透镜更扩展景深为目的的摄像系统，因此，优选焦点扩展光学系统11具有至少通常光学透镜以上的大小的散焦范围。特别在将摄像元件12配置在最佳对焦位置，依赖负侧的散焦MTF的值来还原近景图像的情况下，期望从最佳对焦位置起的负侧的散焦范围的大小大于通常光学透镜。

即，焦点扩展光学系统11优选散焦范围为0.6以上，散焦范围的负侧的范围具有0.3以上的大小。

将如此满足要件的焦点扩展光学系统的示例作为3例的焦点扩展光学系统#6～#8，在下面示出。

如图12所示，焦点扩展光学系统#6在最佳对焦位置，1／2Ny的高频像的MTF为0.43，1／4Ny的低频像的MTF为0.68。因此，在焦点扩展光学系统#6的情况下，在最佳对焦位置，1／4Ny的低频像的MFT相对于1／2Ny的高频像的MTF之比为约1.58。

如图13所示，焦点扩展光学系统#6的散焦范围d(#6)为-0.90≤K4≤+0.20，其幅度W(#6)为1.1。因此，幅度W(#6)大于通常光学透镜的情况下的幅度W(N)。另外，散焦范围d(#6)的负侧的范围的大小为90，这也大于通常光学透镜的情况。

如图14所示，焦点扩展光学系统#7在最佳对焦位置，1／2Ny的高频像的MTF为0.29，1／4Ny的低频像的MTF为0.49。因此，在焦点扩展光学系统#7的情况下，在最佳对焦位置，1／4Ny的低频像的MTF相对于1／2Ny的高频像的MTF之比为约1.69。

如图15所示，焦点扩展光学系统#7的散焦范围d(#7)为-0.90≤K4≤+0.20，其幅度W(#7)为1.1。因此，幅度W(#7)大于通常光学透镜的情况下的幅度W(N)。另外，散焦范围d(#7)的负侧的范围的大小为0.90，这也大于通常光学透镜的情况。

如图16所示，焦点扩展光学系统#8在最佳对焦位置，1／2Ny的高频像的MTF为0.23，1／4Ny的低频像的MTF为0.35。因此，在焦点扩展光学系统#8的情况下，在最佳对焦位置，1／4Ny的低频像的MTF相对于1／2Ny的高频像的MTF之比为约1.52。

如图17所示，焦点扩展光学系统#8的散焦范围d(#8)为-0.75≤K₄≤+0.30，其幅度W#7为1.05。因此，幅W(#8)大于通常光学透镜的情况下的幅W(N)。另外，散焦范围d(#8)的负侧的范围的大小为0.75，这也大于通常光学透镜的情况。

另外，散焦范围的负侧的范围只要是与通常光学透镜相等的0.3以上即可，若为通常光学透镜的2倍的0.6以上则优选，若如焦点扩展光学系统#6，#7那样为0.9以上则更优选。

另外，图18A是通过图10以及图11所示的通常光学透镜得到的近景图像。另外，图18B、图18C、图18D分别是通过图12～图17所示的焦点扩展光学系统#6～#8得到的近景图像。若比较图10～图17的曲线图、与图18的各图像，则可知1／4Ny下的MTF越降低，则“film”的字符的对比度越下降，由于这些近景图像是在满足1／4Ny下的MTF相对于1／2Ny下的MTF为3倍以下这样的条件的范围内得到的图像，因此都能用软件正确识别“film”的字符。但仅是能由人眼和软件识别，如图18D所示的由焦点扩展光学系统#8得到的图像那样，明显能看到着色，成为不自然的图像，并不优选。

这样的着色是由于1／4Ny下的MTF等的降低对光学透镜光斑等的影響增大而出现的。该着色不仅在近景图像中，在远景图像也同样出现。因此，焦点扩展光学系统11优选1／2Ny与1／4Ny的MTF之比、散焦范围满足上述的条件，进而至少最佳对焦位置的1／4Ny的MTF成为某种程度的大小。

具体地，优选至少最佳对焦位置上的1／4Ny的MTF为0.4以上，更优选为0.5以上。至少最佳对焦位置上的1／4Ny的MTF为0.4以上的条件是大致容许图18B以及图18C，并图18D排除在外的条件。

另外，在上述实施方式中，是通过由图像处理部13实施还原处理来得到扩展了景深的图像15构成。还有，能根据焦点扩展光学系统11的MTF性能不同而仅由焦点扩展光学系统11来扩展景深。在这种情况下，不一定非要实施还原处理。另外，还能根据焦点扩展光学系统11的MTF性能不同不进行还原处理，取而代之实施边缘强调处理或对比度强调处理，简易地得到在深化景深的条件拍摄的图像。在这些情况下，由于不进行还原处理的部分能换取高速，因此在拍摄动态图像的情况下有效。当然，在具有还原处理功能的EDoF摄像系统10中，也可以不在动态图像摄像时进行还原处理。

另外，摄像元件12既可以是CCD型摄像元件，也可以是CMOS型摄像元件。另外，也可以是其它构造的摄像元件。

另外，在在上述实施方式中，焦点扩展光学系统11使包含光轴的中心附近的光束会聚在近前(被摄体14)侧，使穿过外侧的光束会聚在后(摄像元件12)侧，但也可以使包含光轴的中心附近的光束会聚在后(摄像元件12)侧，使穿过外侧的光束会聚在近前(被摄体14)侧。

另外，在焦点扩展光学系统11具备2个光学透镜11a、11b，但焦点扩展元件16以外的光学透镜既可以是1片，也可以是3片以上。另外，光学透镜11a、11b的面形状是任意的，可以包含球面，但在焦点扩展光学系统11中包含至少1片非球面。另外，焦点扩展元件16也可以由多片光学透镜构成。

另外，焦点扩展光学系统11说明了由光学透镜11a、11b和焦点扩展元件16实质3个光学透镜构成的示例，但也可以进一步包含实质不具有电源的光学透镜、光圈、防护玻璃罩等光学透镜以外的光学要素、光学透镜法兰、光学透镜筒、手抖补正机构等机构部分、等。

符号说明

10  EDoF摄像系统

11  焦点扩展光学系统

12  摄像元件

13  图像处理部

14  被摄体

15、31、32  图像

11a、11b  光学透镜

16  焦点扩展元件

21  RAW数据

22  图像数据

41、42、43  图表图像

Claims (10)

1.一种焦点扩展光学系统，其特征在于，具备：

至少1个光学透镜，其使来自被摄体的光成像于摄像元件；和

焦点扩展元件，其调节波阵面，以使所述光学透镜的成像位置根据距光轴的距离而变化，从而扩展焦点范围，

在将所述摄像元件的奈奎斯特频率的1／2的空间频率下的MTF设为第1MTF，将1／4的空间频率下的MTF设为第2MTF时，满足所述第2MTF相对于所述第1MTF为3倍以下的值的条件。

2.根据权利要求1所述的焦点扩展光学系统，其特征在于，

在使用泽尼克多项式Zj(n，m)以及系数Kj以ψ＝∑Kj·Zj表征透射波阵面ψ、将表示散焦的第4项Z₄(n＝2，m＝0)的系数设为K₄时，所述第2MTF相对于所述第1MTF为3倍以下的所述系数K4的范围包含0，为0.6以上的大小。

3.根据权利要求1所述的焦点扩展光学系统，其特征在于，

所述第2MTF相对于所述第1MTF为3倍以下的所述系数K₄的范围包含0，为0.9以上的大小。

4.根据权利要求2所述的焦点扩展光学系统，其特征在于，

所述第2MTF相对于所述第1MTF为3倍以下的所述系数K₄的范围包含0，负侧的范围的大小为0.3以上的大小。

5.根据权利要求2所述的焦点扩展光学系统，其特征在于，

所述第2MTF相对于所述第1MTF为3倍以下的所述系数K₄的范围包含0，负侧的范围的大小为0.6以上的大小。

6.根据权利要求1所述的焦点扩展光学系统，其特征在于，

所述第2MTF为0.4以上。

7.根据权利要求1所述的焦点扩展光学系统，其特征在于，

所述第2MTF为0.5以上。

8.根据权利要求1所述的焦点扩展光学系统，其特征在于，

所述光学透镜以及所述焦点扩展元件被固定为不在光轴方向上移动。

9.一种EDoF摄像系统，其特征在于，具备：

摄像元件，其拍摄被摄体的像；和

焦点扩展光学系统，其具有至少1个光学透镜、和焦点扩展元件，所述至少1个光学透镜使来自被摄体的光成像于所述摄像元件，所述焦点扩展元件调节波阵面以使所述光学透镜的成像位置根据距光轴的距离而变化，从而扩展焦点范围，

在将所述摄像元件的奈奎斯特频率的1／2的空间频率下的MTF设为第1MTF、将1／4的空间频率下的MTF设为第2MTF时，满足所述第2MTF相对于所述第1MTF为3倍以下的值的条件。

10.根据权利要求9所述的EDoF摄像系统，其特征在于，

所述EDoF摄像系统还具备：

图像处理部，其通过对所述摄像元件输出的数据实施还原处理来生成扩展了景深的图像。

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