JP2002513951A - Expanded depth of field optical system - Google Patents

Expanded depth of field optical system

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JP2002513951A
JP2002513951A JP2000547511A JP2000547511A JP2002513951A JP 2002513951 A JP2002513951 A JP 2002513951A JP 2000547511 A JP2000547511 A JP 2000547511A JP 2000547511 A JP2000547511 A JP 2000547511A JP 2002513951 A JP2002513951 A JP 2002513951A
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optical
light
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wavefront
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JP2000547511A
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Japanese (ja)
Inventor
ダブリュ. トーマス ジュニア キャシェイ
エドワード アール. ジュニア ドウスキー
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ユニバーシティ テクノロジー コーポレイション
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Abstract

(57)【要約】 非干渉光学システムの被写界深度を増大し、波長依存性を低減するシステム(100,110,150,160)は、非干渉システムに対して特定な目的の光学マスク(20,120,124,132)を組み込んでいる。光学マスクは、光学伝達関数が焦点の合った位置からある程度の範囲内で本質的に一定のままとなるように設計されている。結果的中間画像の信号処理は、マスクの光学伝達変調効果を打ち消し、その結果、増大した被写界深度に亙って焦点の合った画像をもたらす。概ねマスクは、光学システムの開口絞りまたは開口絞りの画像の場所またはその近傍に配備される。好ましくは、マスクは位相のみを変調し、光の振幅は変調しないが、振幅を関連するフィルタなどによって変えることが可能である。マスクは受動測距システムの有効範囲を増大するのに使用できる。 Abstract: A system (100, 110, 150, 160) for increasing the depth of field and reducing the wavelength dependence of a non-interfering optical system is a special purpose optical mask ( 20, 120, 124, 132). The optical mask is designed such that the optical transfer function remains essentially constant within some range from the point of focus. Signal processing of the resulting intermediate image counteracts the optical transmission modulation effects of the mask, resulting in a focused image over an increased depth of field. Generally, the mask is located at or near the aperture stop or image of the aperture stop of the optical system. Preferably, the mask modulates only the phase and not the amplitude of the light, but the amplitude can be changed by an associated filter or the like. Masks can be used to increase the coverage of passive ranging systems.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 本発明は、National Science Foundation および Office of Naval Research
により授与された政府援助でなされた。政府は、本発明において一定の権利を有
する。
[0001] The present invention relates to the National Science Foundation and the Office of Naval Research.
Made with government assistance awarded by. The government has certain rights in the invention.

【0002】 (関連出願に対する相互参照) この出願は、1997年3月17日に提出された拡大被写界深度光学システム
に関する同時係属特許出願08/823,894の一部継続出願である。
This application is a continuation-in-part of co-pending patent application 08 / 823,894 filed on March 17, 1997, relating to an enlarged depth of field optical system.

【0003】 1996年5月28日に交付され、”Range Estimation Apparatus and Metho
d”と題する米国特許第5,521,695号は、参照することによって本発明に
組み入れられる。
[0003] Issued on May 28, 1996, "Range Estimation Apparatus and Metho
U.S. Pat. No. 5,521,695 entitled "d" is incorporated herein by reference.

【0004】 (発明の背景) (発明の分野) 本発明は、非干渉光学システムの被写界深度を増大し、波長依存性を低減する
方法および装置に関する。本発明は、特に受動測距システムの有効範囲を増大す
るのに有効である。同じ技術が受動音響測距システムおよび受動電磁測距システ
ムに適用可能である。
BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to a method and apparatus for increasing the depth of field and reducing the wavelength dependence of non-coherent optical systems. The invention is particularly useful for increasing the coverage of a passive ranging system. The same technology is applicable to passive acoustic ranging systems and passive electromagnetic ranging systems.

【0005】 (従来技術の説明) 光学システムの被写界深度の向上は、長く、撮像システムを研究する者の目標
であった。1つまたは数個のみのレンズを有し、なおも大きく被写界深度を拡大
した焦点合わせを提供する単純な撮像システムが、当技術分野で依然として必要
とされている。被写界深度とは撮像される光景の奥行きに属し、焦点深度とは画
像記録システムにおける奥行きに属する。
Description of the Prior Art Increasing the depth of field of optical systems has long been a goal of those studying imaging systems. There is still a need in the art for a simple imaging system that has one or only a few lenses and still provides focusing with greatly increased depth of field. The depth of field belongs to the depth of the scene to be imaged, and the depth of focus belongs to the depth in the image recording system.

【0006】 単純な光学システムの欠点は、赤色光焦点で形成された画像が、青色光または
緑色光で形成された画像と異なる平面に焦点を結ぶことである。1つの平面で焦
点が合う波長帯域は、ほんの狭いものであり、他の波長は焦点から外れる。これ
を色収差と称する。現在、焦点の合った画像を形成する波長帯域の拡大は、屈折
率が異なる2つ以上のレンズを使用して色消しレンズと称するものを形成するこ
とによって実現されている。システムの被写界深度を拡大することが可能ならば
、その領域は各波長が焦点の合った画像を形成する場所まで拡大されることにな
る。これらの領域が重なり合うようになされた場合、システムは、デジタル処理
の後、(例えば)テレビジョンカメラの3つの異なるカラー帯域で高解像度画像
をもたらすことができる。もちろん、この拡大された被写界深度システムは、な
おも高い性能を実現するため、色収差レンズと組み合わせることができる。
A disadvantage of a simple optical system is that an image formed with a red light focus will focus on a different plane than an image formed with blue or green light. The wavelength band that is in focus in one plane is only narrow, and the other wavelengths are out of focus. This is called chromatic aberration. Presently, the expansion of the wavelength band that forms an in-focus image is achieved by using two or more lenses with different refractive indices to form what is called an achromatic lens. If it is possible to increase the depth of field of the system, the area will be expanded to where each wavelength forms a focused image. If these areas are made to overlap, the system can, after digital processing, provide high resolution images in (for example) three different color bands of the television camera. Of course, this expanded depth of field system can be combined with a chromatic aberration lens to still achieve high performance.

【0007】 焦点ずれをもたらす他のいくつかの収差がある。例えば、非点収差は、垂直線
と水平線とが異なる平面に焦点を結ぶときに生ずる。球面収差は、レンズの半径
方向の帯域が異なる平面に焦点を結ぶときに生じる。像面湾曲は、軸から外れた
地点が湾曲表面に焦点を結ぶときに生じる。焦点の温度依存性は、周囲温度の変
化がレンズに及び、最適焦点位置をシフトするときに生じる。これら収差のそれ
ぞれは、従来、付加的なレンズ要素を使用することによって補償されていた。
There are several other aberrations that lead to defocus. For example, astigmatism occurs when the vertical and horizontal lines focus on different planes. Spherical aberration occurs when a lens focuses on a plane with different radial bands. Field curvature occurs when an off-axis point focuses on a curved surface. Temperature dependence of the focus occurs when changes in the ambient temperature reach the lens and shift the optimal focus position. Each of these aberrations has traditionally been compensated for by using additional lens elements.

【0008】 焦点ずれをもたらすこれら収差の影響は、撮像システムの被写界深度を拡大す
ることによって低減できる。被写界深度を大きくすることによって、レンズ設計
者にはそれらの収差のバランスをとるのに高い融通性が与えられる。
[0008] The effects of these aberrations leading to defocus can be reduced by increasing the depth of field of the imaging system. Increasing the depth of field gives lens designers greater flexibility in balancing their aberrations.

【0009】 光学マスクを使用して画質を改善することは、人気のある開発分野でもある。
例えば、Applied Optics の1971年10月,第10巻,第10号の M. Mino お
よび Y. Okano による "Improvement in the OTF of a Defocussed Optical Sys
tem Through the Use of Shaded Apertures" は、瞳孔の中心からその周縁に向
けて徐々に振幅透過率を減少させてわずかによくなった画像をもたらすことを論
じている。Applied Optics の1988年6月,第27巻,第12号の J. Ojeda-C
astaneda らによる”High Focal Depth By A podization and Digital Restorat
ion”は、反復デジタル復元アルゴリズムを使用し、予めアポダイズされた(apo
dized)光学システムの光学伝達関数を改善することを論じている。Applied Opt ics の1990年3月,第29巻,第7号の J. Ojeda-Castaneda らによる”Zone
Plate for Arbitrarily High Focal Depth”は、焦点深度を増大するためにア
ポダイザ(apodizer)としてゾーンプレートを使用することを論じている。
[0009] Improving image quality using optical masks is also a popular development area.
For example, Applied Optics , October 1971, Volume 10, Issue 10, M. Mino and Y. Okano, "Improvement in the OTF of a Defocussed Optical Sys
"Tem Through the Use of Shaded Apertures" discusses a gradual decrease in amplitude transmission from the center of the pupil to its periphery, resulting in a slightly better image. Applied Optics , June 1988. Vol. 27, No. 12, J. Ojeda-C
"High Focal Depth By A podization and Digital Restorat" by astaneda et al.
ion ”was previously apodized using an iterative digital reconstruction algorithm (apo
dized) to improve the optical transfer function of the optical system. March 1990 of Applied Opt ics, Vol. 29, "according to the seventh edition of J. Ojeda-Castaneda et al Zone
"Plate for Arbitrarily High Focal Depth" discusses the use of a zone plate as an apodizer to increase the depth of focus.

【0010】 これら発明者の全て、ならびに彼ら以外の当業者の全ては、大きな被写界深度
を伴う焦点の合った標準光学システムの点像分布関数を純粋に光学的手段で実現
するという不可能なことをしようと試みている。デジタル処理を採用すると、そ
れは事後の画像をわずかに除去すると共に尖鋭にすることになる。
[0010] All of these inventors, as well as others skilled in the art, cannot achieve the point spread function of a focused standard optical system with a large depth of field by purely optical means. Trying to do something. Employing digital processing, it will slightly remove and sharpen the post-image.

【0011】 (発明の概要) 本明細書に記載したシステムは、拡大被写界深度の領域全体に亙って焦点の合
った解像度をもたらす。従って、これは球面収差,非点収差,像面湾曲,色収差
,および温度依存性焦点移動のような焦点ずれ収差を補償するのに特に有効であ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION The system described herein provides focused resolution over an area of extended depth of field. Therefore, it is particularly effective in compensating for defocus aberrations such as spherical aberration, astigmatism, field curvature, chromatic aberration, and temperature-dependent focal shift.

【0012】 本発明の目的は、特別な目的の光学マスクをシステムに追加することによって
非干渉光学撮像システムの被写界深度を増大することである。マスクは、デジタ
ル処理が結果的中間画像をデジタル処理することによって焦点ずれの広い範囲に
対して焦点の合った解像度を有する画像をもたらすことが可能になるように設計
される。マスクによって、光学伝達関数は焦点の合った位置から離れるある程度
の範囲で実質的に一定のままであるようになる。デジタル処理により、マスクの
光学伝達関数変調効果が打ち消され、その結果、増大した被写界深度に亙って焦
点の合った高解像度が得られる。
It is an object of the present invention to increase the depth of field of a non-coherent optical imaging system by adding a special purpose optical mask to the system. The mask is designed such that the digital processing allows the resulting intermediate image to be digitally processed to yield an image with in-focus resolution for a wide range of defocus. The mask causes the optical transfer function to remain substantially constant to some extent away from the in-focus position. Digital processing counteracts the optical transfer function modulation effects of the mask, resulting in a focused high resolution over an increased depth of field.

【0013】 一般の光学システムは、物体からの光を中間画像へ焦点を結ばせるレンズと、
フィルム,ビデオカメラ,電荷結合素子(CCD)などの如き画像を記憶する手
段とを具えている。このような光学システムの被写界深度は、物体とCCDとの
間に光学マスクを挿入することによって増大される。マスクは、ある程度の距離
範囲に対して光学伝達関数が物体とレンズとの間の距離に実質的に依存しないよ
うに、システムの光学伝達関数を変調する。記憶した画像に対して被写界深度後
処理を行い、マスクによりなされた光学伝達の変調を逆に行うことによって画像
を復元させる。例えば、後処理手段は、マスクによりなされた光学伝達関数変調
の逆関数となるフィルタに実施させる。
A typical optical system includes a lens that focuses light from an object on an intermediate image,
Means for storing images such as film, video camera, charge coupled device (CCD), etc. The depth of field of such an optical system is increased by inserting an optical mask between the object and the CCD. The mask modulates the optical transfer function of the system such that for a certain range of distances the optical transfer function does not depend substantially on the distance between the object and the lens. Depth-of-field post-processing is performed on the stored image, and the image is restored by inversely modulating the optical transmission made by the mask. For example, the post-processing means causes a filter having an inverse function of the optical transfer function modulation performed by the mask to be implemented.

【0014】 一般に、マスクは、光学システムの開口絞りまたは開口絞りの画像の場所また
はその近傍のいずれかに位置する。マスクは、結果的なシステムが線形システム
で近似できるような光学システムの位置に配備される。マスクを開口絞りまたは
開口絞りの画像の場所に配備することにより、この結果が得られる。好ましくは
、マスクは位相マスクであり、光の位相のみを変調し、光の振幅は変調しない。
例えば、マスクを3次元位相変調マスクとすることができる。
In general, the mask is located either at or near the aperture stop or the image of the aperture stop of the optical system. The mask is placed at a location in the optical system such that the resulting system can be approximated by a linear system. This result is obtained by placing the mask at the aperture stop or at the image of the aperture stop. Preferably, the mask is a phase mask, modulating only the phase of the light and not the amplitude of the light.
For example, the mask can be a three-dimensional phase modulation mask.

【0015】 マスクは、広視界単レンズ光学システムにおいて、標準的なレンズではなく、
自己集束ファイバまたはレンズと組み合わせて使用できる。
The mask is not a standard lens in a wide field of view single lens optical system,
Can be used in combination with self-focusing fibers or lenses.

【0016】 光学システムの被写界深度を拡大するマスクは、候補となるいくつかのマスク
関数に関係するあいまい関数を検討し、どの特定マスク関数が物体の距離範囲に
亙ってほぼ一定となる光学伝達関数を有するかを決定することより、かつ特定候
補のマスク関数を有するマスクを製作することにより製造されることができる。
マスクの機能は、システムの異なる位置に配備した2つのマスクで分担すること
ができる。
A mask that extends the depth of field of the optical system considers an ambiguity function related to several candidate mask functions, and which particular mask function is nearly constant over the range of the object. It can be manufactured by determining whether it has an optical transfer function and by making a mask with a mask function of a particular candidate.
The function of the mask can be shared by two masks located at different locations in the system.

【0017】 本発明の第2の目的は、受動測距システムの有効範囲を増大することである。
この目的を達成するため、マスクは、上述のように物体距離に依存しないように
光学伝達関数を変調し、さらに光学伝達関数が物体距離の関数としてゼロを含む
ように光学システムを変調することにより、距離情報を画像にエンコードする。
被写界深度後処理手段に接続された測距後処理手段は、画像にエンコードされた
距離情報をデコードし、距離情報から物体の様々な点に対する距離を計算する。
例えば、マスクを3次元位相変調マスクまたは直線位相変調マスクと組み合わせ
ることが可能である。
A second object of the present invention is to increase the effective range of a passive ranging system.
To this end, the mask modulates the optical transfer function to be independent of object distance, as described above, and further modulates the optical system such that the optical transfer function includes zero as a function of object distance. And encode the distance information into the image.
The post-ranging post-processing means connected to the depth-of-field post-processing means decodes the distance information encoded in the image and calculates distances to various points of the object from the distance information.
For example, the mask can be combined with a three-dimensional phase modulation mask or a linear phase modulation mask.

【0018】 本発明の第3の目的は、焦点の合った画像を形成する波長(色)帯域を拡大す
ることである。システムの被写界深度を拡大することによって、対象領域は各波
長が焦点の合った画像を形成する場所まで拡大される。これらの対象領域は重な
り合うようにすることができ、システムは、デジタル処理の後、3つの異なるカ
ラー帯域において高解像度画像を生成できる。
A third object of the present invention is to expand the wavelength (color) band for forming a focused image. By increasing the depth of field of the system, the area of interest is enlarged to where each wavelength forms a focused image. These regions of interest can overlap and the system can generate high resolution images in three different color bands after digital processing.

【0019】 本発明の第4の目的は、光学特性が温度により変化する要素、または特に色収
差の傾向がある要素を具えた撮像システムの被写界深度を拡大することである。
A fourth object of the present invention is to increase the depth of field of an imaging system comprising an element whose optical properties change with temperature, or especially an element prone to chromatic aberration.

【0020】 本発明の第5の目的は、撮像システムの被写界深度を拡大し、球面収差,非点
収差,および像面湾曲のような焦点ずれ収差の影響を最小化することである。被
写界深度を拡大することにより、焦点ずれ収差は、最良焦点の重複領域を有する
ことができる。デジタル処理の後、焦点ずれ収差の影響を最小化した画像をもた
らすことができる。
A fifth object of the present invention is to increase the depth of field of an imaging system and minimize the effects of defocus aberrations such as spherical aberration, astigmatism, and field curvature. By increasing the depth of field, the defocus aberration can have a best focus overlap region. After digital processing, an image can be provided that minimizes the effects of defocus aberration.

【0021】 本発明の第6の目的は、別の光学要素を追加することなく撮像システムの被写
界深度を増大するため、被写界深度を拡大するマスクを他の光学要素と物理的に
接合することである。
A sixth object of the present invention is to increase the depth of field of an imaging system without adding another optical element, so that a mask that increases the depth of field is physically separated from other optical elements. It is joining.

【0022】 この技術における熟練者は、本発明の前述およびその他の目的,特徴,利点,
および応用を添付の図面に描かれたような好ましい実施例について以下のより詳
細な説明から理解されよう。
Those skilled in the art will appreciate the above and other objects, features, advantages, and advantages of the present invention.
A more detailed description of the preferred embodiments, as illustrated in the accompanying drawings, and application will be understood from the following description.

【0023】 (好ましい実施例の詳細な説明) 図1(従来技術)は、標準光学撮像システムを示す。物体15はレンズ25を
通り、電荷結合素子(CCD)30の上に像を作る。もちろん、より多くのレン
ズまたは異なる記録媒体を使用することはできるが、図1は単純で標準的な光学
システムを示す。このようなシステムは、物体15が合焦物平面上、または物平
面に非常に近いところに置かれている場合のみ、鮮明で焦点の合った像を作る。
レンズ25の後主平面からCCD30までの距離がdiで、レンズ25の焦点距
離がfの場合、CCD30に画像の焦点が合うようにするため、レンズ25の前
主平面から物体15までの距離d0は、
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 (Prior Art) shows a standard optical imaging system. Object 15 passes through lens 25 and forms an image on charge coupled device (CCD) 30. Of course, more lenses or different recording media can be used, but FIG. 1 shows a simple standard optical system. Such a system produces a sharp and focused image only when the object 15 is located on or very close to the focused object plane.
Distance from the principal plane of the lens 25 to the CCD 30 is in d i, if the focal length of the lens 25 is f, so that the image is focused on the CCD 30, the distance from the main plane front of the lens 25 to the object 15 d 0 is

【0024】[0024]

【数1】 (Equation 1)

【0025】 のように選択されなければならない。光学システムの被写界深度は、焦点の合っ
た距離から物体が離れ、それでも画像の焦点が合うような距離である。図1のよ
うな単純なシステムでは、焦点深度は非常に小さい。
Must be selected as follows: The depth of field of the optical system is such that the object is away from the in-focus distance and the image is still in focus. In a simple system as in FIG. 1, the depth of focus is very small.

【0026】 図2は、本発明による多部品拡大被写界深度システムの相互作用および動作を
示す。物体15は、光学マスク20およびレンズ25を通り、電荷結合素子(C
CD)システム30に画像を作り、画像の後処理をデジタル処理システム35で
行う。この技術の熟練者らは、CCDシステム30の代わりに、いかなる画像記
録装置および修正装置でも使用できることが理解できよう。
FIG. 2 illustrates the interaction and operation of a multi-part magnified depth of field system according to the present invention. The object 15 passes through the optical mask 20 and the lens 25 and passes through the charge-coupled device (C
An image is created in the CD) system 30 and post-processing of the image is performed in the digital processing system 35. Those skilled in the art will appreciate that any image recording and correction device can be used in place of the CCD system 30.

【0027】 マスク20は、不透明性,厚み,または屈折率の異なるガラスフィルムまたは
プラスチックフィルムなどの光学材料で構成される。マスク20は位相マスクで
あり、伝送される光の位相にのみ作用し、振幅には作用しないことが好ましい。
これにより、高精度な光学システムとなるのである。しかしながら、マスク20
は、1つの振幅マスクまたは2つの振幅マスクの組み合わせにすることも可能で
ある。マスク20は、点像または点像分布関数(PSF)に対するシステム応答
が、所定の物体距離の範囲に亙ってレンズ25からの点像の距離に比較的依存し
ない方法で非干渉光学システムを変調するように設計されている。従って、光学
伝達関数(OTF)も、この範囲に亙って物体距離に比較的依存しないのである
。結果的に得られるPSF自体は点ではない。しかし、OTFがゼロを含まない
限り、画像の後処理は、結果的に得られるPSFが所定の物体距離の範囲の全体
に亙って標準的な光学システムの焦点の合った応答にほぼ等しくなるように、P
SFおよびOTFを修正するために使用される。
The mask 20 is made of an optical material such as a glass film or a plastic film having different opacity, thickness, or refractive index. Preferably, the mask 20 is a phase mask and acts only on the phase of the transmitted light, not on the amplitude.
This results in a highly accurate optical system. However, the mask 20
Can be a single amplitude mask or a combination of two amplitude masks. The mask 20 modulates the incoherent optical system in such a way that the system response to a point image or point spread function (PSF) is relatively independent of the distance of the point image from the lens 25 over a predetermined range of object distance. Designed to be. Thus, the optical transfer function (OTF) is also relatively independent of object distance over this range. The resulting PSF itself is not a point. However, as long as the OTF does not include zero, the post-processing of the image will result in the resulting PSF being approximately equal to the focused response of a standard optical system over a given range of object distance. So, P
Used to modify SF and OTF.

【0028】 マスク20の目的は、図2のシステムのOTFが特定の物体距離の範囲に亙っ
て焦点ずれ距離による作用を受けない方法で、光学システムを変調することにあ
る。さらに、マスクの影響(増大した被写界深度以外)を後処理でなくすことが
できるように、OTFはゼロを含まないようにすべきである。
The purpose of the mask 20 is to modulate the optical system in such a way that the OTF of the system of FIG. 2 is not affected by the defocus distance over a certain range of object distance. In addition, the OTF should not contain zeros so that the effects of the mask (other than increased depth of field) can be eliminated in post-processing.

【0029】 光学マスク関数P(x)(P(x)については、図3〜図30に関連して以下で説
明する)を説明する有効な方法は、あいまい関数の方法である。光学システムの
OTF方程式は、よく知られているあいまい関数A(u,v)に同様な形にするこ
とができる。あいまい関数は、レーダ用途で用いられ、広く研究されて来ている
。あいまい関数をレーダシステムで使用して理解することは、OTFとはまった
く違うことであるが、等式の形態の類似性がOTFを扱う上で役に立つのである
。あいまい関数は
An effective way to describe the optical mask function P (x) (P (x) is described below in connection with FIGS. 3-30) is that of the fuzzy function. The OTF equation of the optical system can be shaped similar to the well-known fuzzy function A (u, v). Ambiguous functions are used in radar applications and have been widely studied. Understanding the use of ambiguous functions in radar systems is quite different from OTF, but the similarity in the form of equations helps in dealing with OTF. The ambiguous function is

【0030】[0030]

【数2】 (Equation 2)

【0031】 で与えられる。ここで、*は共役複素数を意味し、マスク関数P(x)は、正規化
座標
Is given by Here, * means a conjugate complex number, and the mask function P (x) is a normalized coordinate.

【0032】[0032]

【数3】 (Equation 3)

【0033】 にあり、Dは1次元マスクの長さである。上式では、簡略化のために、分離可能
な2次元直交マスクを仮定している。このようなシステムは、理論的には完全に
1次元マスクで説明できる。上式のあいまい関数の単純な拡張は、一般的な2次
元マスクを評価するために使用することができる。
Where D is the length of the one-dimensional mask. In the above equation, a separable two-dimensional orthogonal mask is assumed for simplification. Such a system can in theory be described entirely with a one-dimensional mask. A simple extension of the above fuzzy function can be used to evaluate a general two-dimensional mask.

【0034】 この技術の熟練者らに知られているように、一般的な光学マスク関数が与えら
れると、あらゆる焦点ずれの値Ψに対する非干渉OTFの応答を等式
As is known to those skilled in the art, given a general optical mask function, the response of the decoupling OTF to any defocus value を is given by the equation

【0035】[0035]

【数4】 (Equation 4)

【0036】 によって計算することができる。独立した空間パラメータxおよび空間周波数パ
ラメータuは、等式が正規化されているので単位を持たない。Ψは正規化した焦
点ずれパラメータであり、レンズ25の寸法および焦点状態に依存する。
Can be calculated by The independent spatial parameter x and spatial frequency parameter u have no units since the equations have been normalized. Ψ is a normalized defocus parameter, which depends on the size of the lens 25 and the focus state.

【0037】[0037]

【数5】 (Equation 5)

【0038】 ここで、Lはレンズの奥行き,λは光の波長,fはレンズ25の焦点距離,d 0 は前主平面から物体15までの距離,diは後主平面からCCD30に置かれる
像平面までの距離である。固定光学システムパラメータを与えられると、焦点ず
れΨは、単調に物体距離d0に関連付けられる。
Here, L is the depth of the lens, λ is the wavelength of light, f is the focal length of the lens 25, d 0 Is the distance from the front principal plane to the object 15, diIs placed on the CCD 30 from the rear main plane
This is the distance to the image plane. Defocused given fixed optical system parameters
Re is monotonically the object distance d0Is associated with

【0039】 OTFとあいまい関数とは、OTF and ambiguous function are

【0040】[0040]

【数6】 (Equation 6)

【0041】 のように関連付けられることを示すことができる。従って、OTFは、光学マス
ク関数P(x)に関してあいまい関数A(u,v)を通る半径方向の一部によって与
えられる。この半径方向の線はΨ/πの傾きを有する。あいまい関数からOTF
を検出する手順は、図4から図8に示されている。OTFとあいまい関数との間
の関係の出力および有用性は、一意に光学マスク関数P(x)依存する単一の2次
元関数A(u,v)が、焦点ずれのすべての値に対してOTFを表すことができる
という事実にある。この手段がなければ、焦点ずれの各値に対してOTFを計算
することが必要となり、OTFが物体距離の範囲に亙って本質的に一定であるか
どうかを決定することが困難となる。
It can be shown that they are related as follows. Thus, the OTF is given by the radial part passing through the ambiguity function A (u, v) with respect to the optical mask function P (x). This radial line has a slope of Ψ / π. OTF from ambiguous function
The procedure for detecting is shown in FIGS. The output and usefulness of the relationship between the OTF and the fuzzy function is that a single two-dimensional function A (u, v), which is uniquely dependent on the optical mask function P (x), for all values of defocus It lies in the fact that OTF can be represented. Without this measure, it would be necessary to calculate the OTF for each value of defocus, making it difficult to determine whether the OTF is essentially constant over a range of object distances.

【0042】 位相マスクの1つの集合の一般的な形は、3次元位相変調(3次元PM)であ
る。一般的な形は
A common form of one set of phase masks is three-dimensional phase modulation (three-dimensional PM). The general form is

【0043】[0043]

【数7】 (Equation 7)

【0044】 である。Is as follows.

【0045】 定数a,b,g,およびdの選択により、変調伝達関数が円対称(a=b=a 0 、g=d=−3a0)であるシステムに対し、分離可能に直交する位相関数が可
能となる。簡略化のため、我々は対称で分離可能に直交した形を使用する。これ
は、
By selecting the constants a, b, g, and d, the modulation transfer function is circularly symmetric (a = b = a 0 , G = d = −3a0), A separable orthogonal phase function is possible for the system
It works. For simplicity, we use symmetric and separable orthogonal shapes. this
Is

【0046】[0046]

【数8】 (Equation 8)

【0047】 で与えられる。Is given by

【0048】 この形は分離可能に直交しているので、大半の解析では1次元要素だけを考慮
すればよく、
Since this shape is separably orthogonal, most analyzes need only consider one-dimensional elements,

【0049】[0049]

【数9】 (Equation 9)

【0050】 ここで、aは被写界深度の増加を調整するために用いられるパラメータである。Here, a is a parameter used to adjust the increase in the depth of field.

【0051】 図3は、この分離可能に直交する3次元位相関数を実行するマスクを示す。α
=0の場合、マスク無しまたは透明なマスクで与えられる標準的な直交関数であ
る。αの絶対値が増大すると、被写界深度も増大する。αが増大するに連れ、後
処理前の画像コントラストは減少する。これは、αが増大するに連れてあいまい
関数が広がり、焦点ずれに対してより依存しなくなるためである。しかし、あい
まい関数の全体の大きさは一定なので、あいまい関数は広がるに連れて平坦にな
る。
FIG. 3 shows a mask that performs this separable orthogonal three-dimensional phase function. α
If = 0, it is a standard orthogonal function given by an unmasked or transparent mask. As the absolute value of α increases, the depth of field also increases. As α increases, the image contrast before post-processing decreases. This is because the ambiguous function spreads as α increases and becomes less dependent on defocus. However, since the overall size of the fuzzy function is constant, the fuzzy function becomes flatter as it spreads.

【0052】 十分大きなαに対し、3次元PMマスクを使用するシステムのOTFは、For a sufficiently large α, the OTF of a system using a three-dimensional PM mask is

【0053】[0053]

【数10】 (Equation 10)

【0054】 で近似される。この親特許の添付Aは、上述したOTF関数に到達するために必
要な数学的処理を与える。
Is approximated by Appendix A of this parent patent gives the mathematical processing required to reach the OTF function described above.

【0055】 従って、3次元PMマスクは、物体距離の範囲に亙ってほぼ一定なOTFを有
するように光学システムを変調するマスクの1例である。OTFが大きく変化し
ない特定の範囲はαに依存する。この範囲(および被写界深度)はαと共に増大
する。しかしながら、被写界深度が増大できる量は、実際には、コントラストが
αの増大に連れて低減し、最終的にはシステムノイズ以下になるという事実によ
って制限される。
Thus, a three-dimensional PM mask is one example of a mask that modulates an optical system to have a substantially constant OTF over a range of object distances. The specific range over which the OTF does not change significantly depends on α. This range (and depth of field) increases with α. However, the amount by which the depth of field can be increased is actually limited by the fact that the contrast decreases with increasing α and eventually falls below the system noise.

【0056】 図4から図30では、図1の標準的な撮像システムの性能と、図3のC−PM
マスクを使用した図2の拡大被写界深度の好ましい実施例とを比較および対比し
ている。
4 to 30, the performance of the standard imaging system of FIG. 1 and the C-PM of FIG.
FIG. 4 compares and contrasts the preferred embodiment of the enlarged depth of field of FIG. 2 using a mask.

【0057】 以下の説明では、図1および図2のシステムについて、3つの方法を使用して
考察している。第1に、2つのシステムにおけるOTFの大きさを、様々な焦点
ずれの値について考察する。システムのOTFの大きさは、完全には最終画像の
品質を示さない。他の環境下において、理想的なOTF(焦点の合った図1の標
準システム)をこのOTFと比較すると、システムの良さについて定性的感触が
与えられる。
In the following description, the systems of FIGS. 1 and 2 are discussed using three methods. First, the magnitude of the OTF in the two systems is considered for various defocus values. The size of the OTF of the system does not completely indicate the quality of the final image. In other circumstances, comparing an ideal OTF (the standard system of FIG. 1 in focus) to this OTF gives a qualitative feel about the goodness of the system.

【0058】 第2に、2つのシステムのPSFを比較する。PSFの半値全幅の幅は、2つ
のシステムを比較する定性的値を与える。第3に、2つのシステムによって作ら
れるスポーク状図面の画像を比較する。スポーク状図面は簡単に認識可能であり
、広範な空間周波数の範囲を含む。この比較は定性的ではあるが、極めて正確で
ある。
Second, the PSFs of the two systems are compared. The full width at half maximum of the PSF gives a qualitative value comparing the two systems. Third, compare the spoked drawing images produced by the two systems. The spoke drawings are easily recognizable and include a wide range of spatial frequencies. This comparison is qualitative, but very accurate.

【0059】 図4は、図1の標準的な光学システムにおけるあいまい関数を示す。出力の大
半は、v=0の軸に沿って集中しており、システムの焦点ずれに非常に依存して
いる。図5は図4の平面図である。この図では、あいまい関数の大きな値を濃い
陰によって表している。水平軸は、−2πから2πまで延在する。上述したよう
に、傾きΨ/πを有するあいまい関数を貫通して描かれている半径方向の線の射
影が、焦点ずれΨに対するOTFを決定する。この半径方向の線は空間周波数u
軸上に投影されている。例えば、図の点線は、傾き1/(2π)で描いたもので
ある。この線は、Ψ=1/2の焦点ずれの値に対する図1の標準システムのOT
Fに相当する。このOTFの大きさを図7に示す。
FIG. 4 shows the fuzzy function in the standard optical system of FIG. Most of the output is concentrated along the v = 0 axis and is very dependent on the system defocus. FIG. 5 is a plan view of FIG. In this figure, a large value of the fuzzy function is represented by a dark shade. The horizontal axis extends from -2π to 2π. As discussed above, the projection of the radial line drawn through the fuzzy function with slope Ψ / π determines the OTF for defocus Ψ. This radial line is the spatial frequency u
Projected on axis. For example, the dotted line in the figure is drawn with a slope of 1 / (2π). This line is the OT of the standard system of FIG. 1 for defocus values of Ψ = 1 /.
It corresponds to F. FIG. 7 shows the size of the OTF.

【0060】 図6は、焦点ずれのない図1の標準システムにおけるOTFを示す。この図面
は、図5における水平なu軸に沿って水平に描かれた半径方向の線に相当する。
FIG. 6 shows the OTF in the standard system of FIG. 1 without defocus. This drawing corresponds to the radial line drawn horizontally along the horizontal u-axis in FIG.

【0061】 図7は、比較的軽い焦点ずれ1/2に対するOTFの大きさを示す。このOT
Fは、図5の点線に相当する。1/2の焦点ずれに対してでさえも、このOTF
は、図6に示す焦点の合ったシステムにおけるOTFとは、劇的に異なっている
FIG. 7 shows the magnitude of the OTF for a relatively light defocus 1 /. This OT
F corresponds to the dotted line in FIG. Even for 1/2 defocus, this OTF
Is dramatically different from the OTF in the focused system shown in FIG.

【0062】 図8は、図3のC−PMマスク(C−PMシステム)を使用した図2の拡大被
写界深度のあいまい関数を示す。このあいまい関数は比較的平坦であり、そのた
めに焦点ずれが変化しても、システムOTFではほとんど変化が起きない。12
ページで定義されたαは、ここで「C−PMシステム」と呼ぶ特定のシステムで
は、3と等しくなるように設定されている。
FIG. 8 shows the fuzzy function of the expanded depth of field of FIG. 2 using the C-PM mask of FIG. 3 (C-PM system). This fuzzy function is relatively flat, so that a change in defocus results in little change in the system OTF. 12
The α defined on the page is set to be equal to 3 for a particular system, referred to herein as the “C-PM system”.

【0063】 図10は、デジタルフィルタ操作を行う前の図2のC−PMシステムにおける
OTFの大きさを示す。このOTFは、理想的な図6のOTFに全く似ていない
ように見える。しかしながら、図11に示すC−PM EDFシステム全体のO
TF(フィルタ操作を含む)は、図6に極めて似ている。高周波数のリップルは
出力画像の品質に大きな影響を及ぼさず、αの増大によって大きさを低減するこ
とができる。
FIG. 10 shows the size of the OTF in the C-PM system of FIG. 2 before performing the digital filter operation. This OTF does not look like the ideal OTF of FIG. 6 at all. However, the C-PM EDF system shown in FIG.
The TF (including the filter operation) is very similar to FIG. High frequency ripple does not significantly affect the quality of the output image, and can be reduced in magnitude by increasing α.

【0064】 図12は、フィルタ操作前の、軽い焦点ずれ(Ψ=1/2)を有する図2のC
−PMシステムにおけるOTFの大きさを示す。さらに、このOTFは、図6と
似ていないように見える。しかしながら、図10と同様に、焦点ずれのないOT
Fに似ているのである。従って、同様のフィルタ操作により、図13に示す最終
的なOTFがもたらされ、これは図6と似ている。
FIG. 12 shows C in FIG. 2 with a slight defocus (Ψ = 1 /) before the filter operation.
-Indicates the size of the OTF in the PM system. Moreover, the OTF does not look like FIG. However, as in FIG.
It is similar to F. Thus, a similar filtering operation results in the final OTF shown in FIG. 13, which is similar to FIG.

【0065】 図14は、フィルタ操作前の大きな焦点ずれ(Ψ=3)を有する図2のC−P
MシステムにおけるOTFの大きさを示す。図15は、C−PMシステム全体に
おけるOTFの大きさを示す。3つのすべての場合(焦点ずれ無し,軽い焦点ず
れ有り,大きな焦点ずれ有り)において、処理前のOTFはほとんど同様であり
、ほぼ理想までOTFを復元するため、同様の後処理またはフィルタ操作が可能
であることに留意されたい。
FIG. 14 shows the CP of FIG. 2 having a large defocus (Ψ = 3) before the filter operation.
5 shows the size of the OTF in the M system. FIG. 15 shows the size of the OTF in the entire C-PM system. In all three cases (no defocus, slight defocus, and large defocus), the OTF before processing is almost the same, and since the OTF is restored to almost ideal, the same post-processing or filter operation is possible. Note that

【0066】 図2のC−PMシステムにおけるOTFが、3つの焦点ずれの値に対し、ほぼ
一定であるのに対し、図10の理想的なOTFとは似ていないことに留意された
い。従って、鮮明な画像を得る前に、図3のマスクの影響(被写界深度以外)を
後処理で取り除くことが望ましい。マスクの影響は、様々な方法で取り除くこと
が可能である。好ましい実施例では、後処理35で実施された関数(特別な目的
の電子チップにおけるデジタル信号処理が好ましいが、デジタルコンピュータあ
るいは電子的または光学的アナログプロセッサでも可能である)は、OTFの逆
関数(Ψに関して一定である関数H(u)として近似される)である。従って、後
処理35は、一般に式
Note that while the OTF in the C-PM system of FIG. 2 is nearly constant for the three defocus values, it is not similar to the ideal OTF of FIG. Therefore, before obtaining a clear image, it is desirable to remove the influence (other than the depth of field) of the mask of FIG. 3 by post-processing. The effects of the mask can be removed in various ways. In a preferred embodiment, the function implemented in post-processing 35 (preferably digital signal processing in a special purpose electronic chip, but could be a digital computer or an electronic or optical analog processor) is the inverse function of the OTF (さ れ る is approximated as a function H (u) that is constant with respect to Ψ). Therefore, post-processing 35 is generally represented by the formula

【0067】[0067]

【数11】 [Equation 11]

【0068】 を実行するものでなければならない。Must be executed.

【0069】 図16から図23は、変化する焦点ずれの量に対し、図1の標準システムにお
ける点像分布関数(PSF)と図2のC−PMシステムとを示す。図16は、2
つのシステムの焦点ずれに対する点像分布関数の半値全幅(FWHM)で正規化
した全幅の図面を示す。FWHMは、図2のC−PMシステムに対してわずかに
変化するが、図1の標準システムに対しては急速に上昇する。
FIGS. 16 to 23 show the point spread function (PSF) of the standard system of FIG. 1 and the C-PM system of FIG. 2 for varying amounts of defocus. FIG.
4 shows a full width drawing normalized to the full width at half maximum (FWHM) of the point spread function for defocus for two systems. The FWHM changes slightly for the C-PM system of FIG. 2, but rises rapidly for the standard system of FIG.

【0070】 図17,図18,および図19は、焦点ずれの値がそれぞれ0,0.5,およ
び3(焦点ずれ無し,軽い焦点ずれ有り,大きな焦点ずれ有り)である図1の標
準システムに関連付けられたPSFを示す。PSFは、軽い焦点ずれに対してさ
え劇的に変化し、大きな焦点ずれに対しては、完全に受け入れ不可能である。
FIGS. 17, 18 and 19 show the standard system of FIG. 1 with defocus values of 0.5, 0.5 and 3, respectively (no defocus, light defocus, large defocus). Shows the PSF associated with. The PSF changes dramatically even for light defocus, and is completely unacceptable for large defocus.

【0071】 図20は、フィルタ操作(後処理)前の焦点ずれのない図2のC−PMシステ
ムにおけるPSFを示す。理想的な図17のPSFとは全く似ていないように見
えるが、さらにフィルタ操作後では、図21に示すように似ているのである。軽
い焦点ずれに対する図2のC−PMシステムにおけるPSFを図22に示し、大
きな焦点ずれを有する図2のC−PMシステムにおけるPSFを図23に示す。
システム全体の3つすべてのPSFは、相互におよび図17とほぼ区別可能であ
る。
FIG. 20 shows the PSF in the C-PM system of FIG. 2 without defocus before filtering (post-processing). Although it does not look like the ideal PSF of FIG. 17 at all, it also looks like the one shown in FIG. 21 after the filtering operation. The PSF in the C-PM system of FIG. 2 for a slight defocus is shown in FIG. 22, and the PSF in the C-PM system of FIG. 2 having a large defocus is shown in FIG.
All three PSFs of the entire system are almost distinguishable from each other and from FIG.

【0072】 図24は、焦点ずれのない図1の標準システムで作られるスポーク状図面の画
像を示す。図25は、軽い焦点ずれを有する図1の標準的なシステムで作られる
同様の画像を示す。まだスポークは区別できるが、高周波数の図面中央部分は失
われている。図26は、大きな焦点ずれで形成された図1の標準システムを示す
。この画像は、ほとんど何の情報も運んでいない。
FIG. 24 shows an image of a spoke drawing made with the standard system of FIG. 1 without defocus. FIG. 25 shows a similar image made with the standard system of FIG. 1 with slight defocus. The spokes are still distinguishable, but the high frequency center part of the drawing is missing. FIG. 26 shows the standard system of FIG. 1 formed with a large defocus. This image carries little information.

【0073】 図27は、デジタル処理前の図2のC−PMシステムによって作られるスポー
ク状図面の画像を示す。後処理後に作られる画像を図28に示す。軽いおよび大
きな焦点ずれを持った図2の完全なシステムで作られる画像をそれぞれ図29お
よび図30に示す。さらに、これらは相互におよび理想的な図24の画像からほ
ぼ区別可能である。
FIG. 27 shows an image of a spoke-like drawing produced by the C-PM system of FIG. 2 before digital processing. An image created after post-processing is shown in FIG. Images produced with the complete system of FIG. 2 with light and large defocus are shown in FIGS. 29 and 30, respectively. Furthermore, they are substantially distinguishable from each other and from the ideal image of FIG.

【0074】 図31は、拡大被写界深度受動測距に対する本発明による光学システムを示す
。光学マスクを使用する受動測距は、本発明者らにより”Range Estimation App
aratus and Method”という名称の米国特許出願第08/083,829号に記載
されており、参照することによって本発明に組み入れられる。出願第08/08
3,829号では、距離に依存するゼロ空間を含むシステムについて説明してお
り、この距離は、以下で説明する距離に依存するゼロと等しい。
FIG. 31 shows an optical system according to the present invention for extended depth of field passive ranging. Passive ranging using an optical mask has been described by the inventors in the Range Estimation App.
No. 08 / 083,829, entitled "aratus and Method," and incorporated herein by reference.
No. 3,829 describes a system including a distance-dependent null space, which is equal to the distance-dependent zero described below.

【0075】 図31では、一般的なレンズシステム40は、入射瞳42および射出瞳43を
有する。一般に、光学マスク60は、開口絞りまたはその近傍に置かれるが、マ
スク60は、図31に示すように、開口絞りの画像のところに置くことも可能で
ある。これは、物体(図示せず)の鮮明な画像50を作るビームスプリッタ45
を与える。レンズ55は、射出瞳43の画像をマスク60上に投影する。マスク
60は、拡大被写界深度および受動測距を組み合わせたものである。CCD65
は、マスク60からの画像をサンプル抽出する。デジタルフィルタ70は、マス
ク60の拡大被写界深度の要素に位置合わせされた固定デジタルフィルタである
。フィルタ70は、PSFの画像を上述した点まで戻す。距離推定装置75は、
ナル、すなわち距離に依存するゼロの周期を推定することによって、物体(図示
せず)の様々な点までの距離を推定する。
In FIG. 31, a typical lens system 40 has an entrance pupil 42 and an exit pupil 43. Generally, the optical mask 60 is placed at or near the aperture stop, but the mask 60 can also be placed at the image of the aperture stop as shown in FIG. This is a beam splitter 45 that produces a sharp image 50 of an object (not shown).
give. The lens 55 projects the image of the exit pupil 43 on the mask 60. The mask 60 combines enlarged depth of field and passive ranging. CCD 65
Samples the image from the mask 60. Digital filter 70 is a fixed digital filter that is aligned with the expanded depth of field element of mask 60. The filter 70 returns the image of the PSF to the point described above. The distance estimation device 75
Estimate the distance to various points of the object (not shown) by estimating the null, ie, the period of the distance dependent zero.

【0076】 簡潔には、受動測距は距離に依存するゼロが、点像分布関数(OTF)に存在
するという方法で、図2の非干渉光学システムを変調することにより達成される
。上で説明したEDFシステムのOTFは、画像を復元するために後フィルタ操
作でゼロを取り除くことができないので、ゼロを含むことができないことに留意
されたい。しかしながら、図31では、距離情報を持った波面をエンコードする
ためにゼロが付加されている。画像を復元することは重要ではないが、物体距離
を検出することが重要である。画像の小さな特定のブロックに関連付けられた距
離を検出するため、ブロック内のゼロの周期は、ブロック内に画像を作る物体ま
での距離に関連付けられている。出願番号第08/083,829では、主に振
幅マスクについて説明しているが、位相マスクも、物体距離の関数としてゼロを
有し、光学エネルギーを失わずにOTFを作ることができる。現在の受動測距シ
ステムは、非常に制限された物体深度に亙ってのみ動作することができ、それを
超えるとOTFのメインローブが狭くなり、OTFローブのゼロで測距のゼロが
失われるので、ゼロを置くことが不可能になる。受動測距の拡大被写界深度は、
このようなシステムを更により有益なものとする。
Briefly, passive ranging is achieved by modulating the incoherent optical system of FIG. 2 in such a way that a distance dependent zero exists in the point spread function (OTF). Note that the OTFs of the EDF system described above cannot include zeros, since zeros cannot be removed by post-filtering to restore the image. However, in FIG. 31, zero is added to encode a wavefront having distance information. It is not important to restore the image, but it is important to detect the object distance. To detect the distance associated with a particular small block of an image, the period of zeros within the block is associated with the distance to the object making the image within the block. Application No. 08 / 083,829 describes primarily amplitude masks, but phase masks also have zero as a function of object distance, and can produce OTFs without losing optical energy. Current passive ranging systems can only operate over very limited object depths, beyond which the main lobe of the OTF narrows and the zero in the OTF lobe loses the ranging zero. So it will be impossible to put a zero. The expanded depth of field of passive ranging is
Making such a system even more useful.

【0077】[0077]

【数12】 (Equation 12)

【0078】 |x|>π/sに対してμs(x)=0 のような数学的に説明されている受動測距の一般的なマスク60を考慮されたい
。このマスクは、長さTのS位相変調要素μs(x)で構成され、S・T=2πで
ある。各部分の位相変調は、指数項で与えられる。上述したマスクが位相マスク
の場合、s=0,1,・・・,s−1である部分μs(x)は、|μs(x)|=1を満
たす。このタイプのマスクの簡単な一例を図32に示す。これは、w0=−2/
πかつw1=2πである2つの部分(S=2)の位相マスクである。
Consider a general mask 60 of passive ranging that is mathematically described as μ s (x) = 0 for | x |> π / s. This mask is composed of an S phase modulation element μ s (x) having a length T, and S · T = 2π. The phase modulation of each part is given by an exponential term. When the above-described mask is a phase mask, a portion μ s (x) where s = 0, 1,..., S−1 satisfies | μ s (x) | = 1. A simple example of this type of mask is shown in FIG. This is, w 0 = -2 /
It is a phase mask of two parts (S = 2) where π and w 1 = 2π.

【0079】 図32は、図31のマスク60として使用することができる位相受動測距マス
ク80の一例を示す。このマスクは、各部分が線形に位相を変調するので、線形
位相変調(LPM)マスクと呼ばれる。マスク80は、反対方向を向く2つのウ
ェッジまたはプリズムを具える。追加のフィルタ85がないと、作られた画像は
左右の部品の合計となる。追加のフィルタ85は、各ウェッジの下に1つずつあ
る2つの半片86および87を具える。半片86は、一方の半片を通過した光が
他方の半片を通過しないように、半片87と直交している。例えば、フィルタを
異なる色(赤と緑,緑と青,または青と赤など)とすることや、直交する方向に
偏光させることができる。フィルタ85の目的は、単レンズの立体画像を作るよ
うにすることである。立体画像は、物体距離で決定される各画像の同じ点の間の
距離を有し、重なり合う2つの画像で構成される。
FIG. 32 shows an example of a phase passive ranging mask 80 that can be used as the mask 60 of FIG. This mask is called a linear phase modulation (LPM) mask because each part modulates the phase linearly. Mask 80 comprises two wedges or prisms pointing in opposite directions. Without the additional filter 85, the image created would be the sum of the left and right parts. The additional filter 85 comprises two halves 86 and 87, one under each wedge. The half 86 is orthogonal to the half 87 so that light passing through one half does not pass through the other half. For example, the filters can be different colors (red and green, green and blue, or blue and red, etc.) or polarized in orthogonal directions. The purpose of the filter 85 is to create a single lens stereoscopic image. The stereoscopic image has a distance between the same points of each image determined by the object distance, and is composed of two overlapping images.

【0080】 図33は、LPM受動測距と、大きな被写界深度に亙って受動測距に適した図
31の3次元−PMマスク60とを組み合わせた光学マスク関数を示す。このマ
スクは
FIG. 33 shows an optical mask function combining LPM passive ranging and the three-dimensional PM mask 60 of FIG. 31 suitable for passive ranging over a large depth of field. This mask is

【0081】[0081]

【数13】 (Equation 13)

【0082】 で表され、ここで0≦x≦πに対してμ(x)=1あるいは0である。マスク60
のLPM要素の2つの部分を使用することにより、OSFの2つのローブが作ら
れる。
Where μ (x) = 1 or 0 for 0 ≦ x ≦ π. Mask 60
By using the two parts of the LPM element, two lobes of the OSF are created.

【0083】 図33の特徴を有するマスク60を使用し、焦点ずれy=0(焦点ずれ無し)
を持った図31の撮像システムにおけるPSFを図34に示す。このシステムは
、拡大被写界深度/受動測距のためにEDF/PRシステムと呼ばれる。マスク
60の2つの部分のため、PSFは2つの最大値を有する。
Using a mask 60 having the characteristics shown in FIG. 33, defocus y = 0 (no defocus)
FIG. 34 shows a PSF in the imaging system of FIG. This system is referred to as EDF / PR system for extended depth of field / passive ranging. Due to the two parts of the mask 60, the PSF has two maxima.

【0084】 図35は、y=10を持ったEDF/PRシステムのPSFを示す。yが正で
あることは、物体がレンズから遠い焦点の合った側にあることを意味する。PS
Fの2つの最大値は共に近づけてある。従って、焦点ずれ(または合焦面からの
距離)は、PSFの最大値の間の距離に関係があることになる。もちろん、デジ
タル距離推定装置75によって行われる実際の処理は、全光景を推定装置75が
受け取るのでかなり複雑であり、単なる点源の画像ではない。この処理は、出願
番号第08/083,829号で詳しく説明してある。
FIG. 35 shows the PSF of the EDF / PR system with y = 10. Positive y means that the object is on the focused side far from the lens. PS
The two maximum values of F are close together. Therefore, the defocus (or distance from the focal plane) is related to the distance between the maximum values of the PSF. Of course, the actual processing performed by the digital distance estimator 75 is fairly complex since the entire scene is received by the estimator 75 and is not just a point source image. This process is described in detail in application Ser. No. 08 / 083,829.

【0085】 図36は、y=−10を有するEDF/PRシステムのPSFを示す。yが負
であることは、物体が合焦面よりもレンズに近いことを意味する。PSFの2つ
の最大値は、遠ざかるように移動されている。このため、推定装置75は、合焦
面から物体までの距離だけでなく、方向も決定することができる。
FIG. 36 shows the PSF of an EDF / PR system with y = −10. Negative y means that the object is closer to the lens than the focal plane. The two maximum values of the PSF have been moved away. Therefore, the estimating device 75 can determine not only the distance from the focal plane to the object but also the direction.

【0086】 PSFの最大値が距離と共に変化しても、マスク60のEDF部分がデジタル
フィルタ70の動作と組み合わされているため、最大値自体は狭く鮮明なままで
あることに留意することが重要である。
It is important to note that even though the maximum value of the PSF varies with distance, the maximum value itself remains narrow and sharp because the EDF portion of the mask 60 is combined with the operation of the digital filter 70. It is.

【0087】 図37は、図31のLPMマスク80を有し、EDF部分がなく、焦点ずれも
ないシステムのPSFを示す。焦点ずれがないので、図37は図34に極めて似
ている。図38は、EDFがなく、大きな正の焦点ずれ(y=0)有するマスク
80のPSFを示す。図35のように、最大値は動かしてある。しかし、最大値
がかなり広くなっているので、いかなるデジタル処理の量も、PSFからの範囲
を決定することは非常に困難である。図39は、EDFがなく、大きな負の焦点
ずれ(y=−10)を有するマスク80のPSFを示す。最大値は離れるように
移動しているが、焦点ずれの量が大きいので、どれだけ移動したかを決定するこ
とは困難である。
FIG. 37 shows a PSF for a system having the LPM mask 80 of FIG. 31 and no EDF portions and no defocus. FIG. 37 is very similar to FIG. 34 since there is no defocus. FIG. 38 shows the PSF of the mask 80 without EDF and with a large positive defocus (y = 0). As shown in FIG. 35, the maximum value has been moved. However, the amount of any digital processing is very difficult to determine from the PSF because the maximum is quite wide. FIG. 39 shows the PSF of the mask 80 without EDF and with a large negative defocus (y = −10). Although the maximum value is moving away, it is difficult to determine how much it has moved because of the large amount of defocus.

【0088】 すなわち、図39は、拡大被写界深度がなく、大きな負の焦点ずれ(y=0)
を有するLPMシステムのPSFを示す。最大値はさらに離れるように移動して
いるが、さらに最大値の位置を決定することは非常に困難である。
That is, FIG. 39 shows that there is no enlarged depth of field and a large negative defocus (y = 0)
2 shows the PSF of an LPM system having Although the maximum moves further away, it is very difficult to determine the position of the maximum.

【0089】 図40は、小さな焦点ずれの量(y=0)を有し、図31に示したEDFおよ
びLPMを組み合わせたシステムの光学伝達関数を示す。OTFの包絡線は、本
質的に完全なシステム(図6参照)の三角形である。図33のマスクの測距部分
によってOTFに付加さられた関数は、距離に依存するゼロまたは最小値を含む
。物体の異なる点までの距離を決定するため、デジタル処理はこれらのゼロを探
すのである。
FIG. 40 shows the optical transfer function of the combined EDF and LPM system shown in FIG. 31 with a small amount of defocus (y = 0). The OTF envelope is essentially the triangle of the complete system (see FIG. 6). The function added to the OTF by the ranging portion of the mask of FIG. 33 includes a distance dependent zero or minimum. Digital processing looks for these zeros to determine the distance to different points of the object.

【0090】 図41は、拡大被写界深度機能がなく、小さな焦点ずれ(y=1)を有する図
31の実施例の光学伝達関数を示す。包絡線は、理想的な3角形(図6参照)か
ら側方ローブを持った狭い中央ローブを有するように移動している。距離に依存
するゼロを区別することはまだ可能であるが、メインローブと側方ローブと間の
包絡線の値が低いため、困難になってきている。焦点ずれが増大するに連れ、メ
インローブは狭くなり、包絡線はより広い領域に亙って低い値を有するようにな
る。距離に依存する極小値およびゼロは、デジタル処理70,75が確実に区別
できない程度まで包絡線のゼロと調和する傾向がある。
FIG. 41 shows the optical transfer function of the embodiment of FIG. 31 without the extended depth of field function and with a small defocus (y = 1). The envelope moves from the ideal triangle (see FIG. 6) to have a narrow central lobe with side lobes. It is still possible to distinguish distance dependent zeros, but it is becoming difficult due to the low value of the envelope between the main and side lobes. As the defocus increases, the main lobe becomes narrower and the envelope has a lower value over a larger area. Distance dependent local minima and zeros tend to match the envelope zeros to the extent that digital processing 70, 75 cannot be reliably distinguished.

【0091】 図42は、図2の撮像システムに類似しているが、レンズ25の代わりにプラ
スチック光学要素106および108を使用した光学システム100を示す。要
素106,108は、光学システムで固定位置にある要素106,108を保持
することを意図し、要素106,108の間で固定した間隔を有するスペーサ1
02,104を用いて固定されている。すべての光学要素および特にプラスチッ
ク要素は、温度の変化に伴って屈折率の変化の他に幾何学的形状も変化を受ける
。例えば、光学要素としてよく使われるプラスチックであるPMMAは、温度に
よって、ガラスより60倍も速く変化する屈折率を有する。さらに、スペーサ1
02および104は、温度によって寸法が変わり、温度が上がるとわずかに長く
なる。このため、温度が上がると、要素106,108は離れるように移動する
FIG. 42 shows an optical system 100 similar to the imaging system of FIG. 2, but using plastic optical elements 106 and 108 instead of lens 25. The elements 106,108 are intended to hold the elements 106,108 in a fixed position in the optical system and have a fixed spacing 1 between the elements 106,108.
02 and 104. All optical elements, and especially plastic elements, undergo a change in temperature as well as a change in refractive index as well as a change in geometry. For example, PMMA, a plastic often used as an optical element, has a refractive index that changes 60 times faster than glass depending on temperature. Furthermore, spacer 1
02 and 104 vary in size with temperature and become slightly longer with increasing temperature. Thus, as the temperature increases, the elements 106, 108 move away.

【0092】 従って、温度の変化は、100のような光学システムでは結果的に性能の変化
となる。具体的には、100のような光学システムの像平面は、温度によって移
動する。デジタル処理35と組み合わされているEDAマスク20は、システム
100の被写界深度を増大させ、温度効果の影響を低減する。図42では、マス
ク20は、要素102,104の間に置かれているが、マスク20は、光学シス
テムの他の場所に置くことも可能である。
Thus, a change in temperature will result in a change in performance in an optical system such as 100. Specifically, the image plane of the optical system, such as 100, moves with temperature. EDA mask 20 in combination with digital processing 35 increases the depth of field of system 100 and reduces the effects of temperature effects. In FIG. 42, the mask 20 is located between the elements 102, 104, but the mask 20 can be located elsewhere in the optical system.

【0093】 EDFマスク20(処理35と組み合わされている)は、要素106,108
が引き起こす色収差の影響も低減する。プラスチック光学要素は、良好な光学特
性を有する異なるプラスチックの種類が限定されているため、特に色収差の影響
を受ける傾向がある。異なる屈折率を有する2つの要素を組み合わせるなどの色
収差を低減する一般的な方法は、ほとんど利用不可能である。従って、EDF要
素20,35によって提供される被写界深度の増大は、プラスチック要素を具え
たシステムでは特に重要である。
The EDF mask 20 (combined with the process 35)
Also reduces the effect of chromatic aberration. Plastic optical elements are particularly susceptible to chromatic aberrations due to the limited variety of different plastics that have good optical properties. Common methods of reducing chromatic aberration, such as combining two elements with different refractive indices, are almost unavailable. Therefore, the increased depth of field provided by the EDF elements 20, 35 is particularly important in systems with plastic elements.

【0094】 図43は、図2の撮像システムにおいてレンズ25の代わりに使用される赤外
レンズ112を示す。鎖線114は、高温でのレンズ112の寸法を示す。ゲル
マニウムなどの赤外材料は、特に寸法の変化や温度の変化に伴う屈折率の変化な
どの熱効果を受ける傾向がある。温度に関する屈折率の変化は、ガラスの230
倍である。EDFフィルタ20および処理35は、光学システム110の被写界
深度を増大させ、これらの熱効果の影響を低減する。
FIG. 43 shows an infrared lens 112 used in place of the lens 25 in the imaging system of FIG. The dashed line 114 indicates the dimensions of the lens 112 at a high temperature. Infrared materials, such as germanium, tend to be subject to thermal effects, such as changes in refractive index, especially with dimensional changes and temperature changes. The change in refractive index with temperature is 230
It is twice. EDF filter 20 and process 35 increase the depth of field of optical system 110 and reduce the effects of these thermal effects.

【0095】 プラスチック光学要素と同様に、赤外光学要素は、ガラスよりも色収差の影響
を受ける傾向がある。利用可能な赤外材料の数が制限されるため、赤外要素の色
収差を低減することは特に困難である。異なる屈折率を有する2つの要素を組み
合わせるなどの色収差を低減する一般的な方法は、ほとんど利用不可能である。
従って、EDF要素によって提供される被写界深度の増大は、特に赤外システム
では重要である。
[0095] Like plastic optical elements, infrared optical elements tend to be more susceptible to chromatic aberration than glass. It is particularly difficult to reduce the chromatic aberration of the infrared element due to the limited number of available infrared materials. Common methods of reducing chromatic aberration, such as combining two elements with different refractive indices, are almost unavailable.
Therefore, the increased depth of field provided by the EDF element is particularly important in infrared systems.

【0096】 図44は、EDFマスク20と接合されるカラーフィルタ118を示す。光学
システムの中には、光の1つの波長のみ、例えば赤外線だけを処理またはその画
像を造ることが望ましいものがある。他のシステムでは、灰色フィルタを使うこ
とが可能である。カラーフィルタを使用するシステムでは、EDFマスク120
は、単一要素を作るためにカラーフィルタに固定するか、単一材料のカラーフィ
ルタと統合的に構成することが可能である。
FIG. 44 shows a color filter 118 bonded to the EDF mask 20. In some optical systems, it is desirable to process or create an image of only one wavelength of light, for example, infrared. In other systems, it is possible to use a gray filter. In a system using a color filter, the EDF mask 120 is used.
Can be fixed to a color filter to make a single element, or can be integrated with a single material color filter.

【0097】 図45は、組み合わされたレンズ/EDFを示す(EDFマスクは原寸に比例
するものではない)。例えば、この要素は、図2の撮像システムのレンズ25お
よびマスク20の代わりをすることができる。この特定の例では、マスクおよび
レンズは一体的に構成されている。第1面126が焦点を結ぶ機能を実行し、第
2面128がEDFマスク機能を実行する。この技術の熟練者らは、この2つの
機能を様々なマスク形状で達成できることが理解できよう。
FIG. 45 shows the combined lens / EDF (EDF mask is not to scale). For example, this element can replace lens 25 and mask 20 of the imaging system of FIG. In this particular example, the mask and lens are integrally configured. First surface 126 performs the function of focusing, and second surface 128 performs the EDF mask function. Those skilled in the art will appreciate that these two functions can be achieved with various mask shapes.

【0098】 図46は、組み合わされた回折格子/EDFマスク130を示す。例えば、エ
ンボス加工によって、回折格子134をEDFマスク132に付け加えることが
できる。回折格子134は、例えば色収差を補償するため、変調回折格子を具え
ることが可能である。あるいは、レンズまたはアンチエイリアシングフィルタと
して機能する屈折光学要素を具えることも可能である。
FIG. 46 shows the combined diffraction grating / EDF mask 130. For example, the diffraction grating 134 can be added to the EDF mask 132 by embossing. The diffraction grating 134 can include a modulation diffraction grating, for example, to compensate for chromatic aberration. Alternatively, it may include a refractive optical element that functions as a lens or an anti-aliasing filter.

【0099】 図47は、図2に類似のEDF光学システムを示す。この図では、レンズ14
2は焦点ずれ収差を示す。焦点ずれ収差は、垂直および水平線が異なる面で焦点
が合う場合に起こる非点収差,レンズの半径方向の帯域が異なる面で焦点が合う
場合に起こる球面収差,および軸から外れた地点が湾曲表面に焦点が合う場合に
起こる像面湾曲を含んでいる。後処理35に関連し、マスク20は、焦点ずれ収
差の影響を低減する光学システムの被写界深度を拡大する。
FIG. 47 shows an EDF optical system similar to FIG. In this figure, the lens 14
2 indicates a defocus aberration. Defocus aberration is the astigmatism that occurs when the vertical and horizontal lines are focused on different planes, the spherical aberration that occurs when the lens is focused on a plane with different radial bands, and the off-axis point is a curved surface. Includes the field curvature that occurs when the image is in focus. In conjunction with post-processing 35, mask 20 increases the depth of field of the optical system to reduce the effects of defocus aberration.

【0100】 図48は、システムの異なる位置で2つのマスク152,156を使用した光
学システム150を示す。このシステムは、組み合わされてマスク20のEDF
マスク関数を実行する。例えば、マスク152で水平の変形形態を実行し、マス
ク156で垂直の変形形態を実行することは有益である可能性がある。図48の
特定な例では、マスク152,156は、レンズ153のどちらかの側に配備さ
れている。例えば、このアセンブリは、図2の撮像システムでレンズ25および
マスク20の代わりをすることができる。
FIG. 48 shows an optical system 150 using two masks 152, 156 at different locations in the system. This system combines the EDF of the mask 20
Execute the mask function. For example, it may be beneficial to perform a horizontal variant on the mask 152 and a vertical variant on the mask 156. In the particular example of FIG. 48, masks 152, 156 are provided on either side of lens 153. For example, this assembly can replace lens 25 and mask 20 in the imaging system of FIG.

【0101】 図49は、レンズ25を自己集束要素162に置き換えた図2の光学撮像シス
テムに類似の光学撮像システムを示す。要素162は、要素の断面を横切る光学
材料の厚みの変化によるのではなく、むしろ要素の断面を横切る材料の屈折率の
変化によって光を集束させる。
FIG. 49 shows an optical imaging system similar to that of FIG. 2 with the lens 25 replaced by a self-focusing element 162. Element 162 focuses light not by a change in the thickness of the optical material across the cross section of the element, but rather by a change in the refractive index of the material across the cross section of the element.

【0102】 本発明による好ましい実施例について、例を挙げ、特定の場合について説明を
行ってきたが、この技術の熟練者らは、本発明の精神から逸脱することなく、こ
こで具体的に説明したことの他、様々な変更,修正,追加,および応用を理解し
よう。
While the preferred embodiment according to the present invention has been described by way of example and with reference to specific cases, those skilled in the art will now elaborate upon this description without departing from the spirit of the invention. Understand what other changes, modifications, additions, and applications have been made.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 標準的な従来技術の画像システムを示す。FIG. 1 shows a standard prior art imaging system.

【図2】 本発明による拡大被写界深度(EDF)撮像システムを示す。FIG. 2 illustrates an extended depth of field (EDF) imaging system according to the present invention.

【図3】 図2で使用された3次元PM(C−PM)マスク用のマスクの概要を示す。FIG. 3 shows an outline of a mask for a three-dimensional PM (C-PM) mask used in FIG. 2;

【図4】 図1の標準的なシステムのあいまい関数を示す。FIG. 4 shows the fuzzy function of the standard system of FIG.

【図5】 図4のあいまい関数の平面図を示す。5 shows a plan view of the fuzzy function of FIG.

【図6】 焦点ずれがない標準的な図1のシステムに対するOTFを示す。FIG. 6 shows the OTF for the standard FIG. 1 system without defocus.

【図7】 軽い焦点ずれを持った標準的な図1のシステムに対するOTFを示す。FIG. 7 shows the OTF for the standard FIG. 1 system with slight defocus.

【図8】 大きな焦点ずれを持った標準的な図1のシステムに対する光学伝達関数(OT
F)を示す。
FIG. 8 shows the optical transfer function (OT) for the standard FIG. 1 system with large defocus.
F) is shown.

【図9】 図3のC−PMマスクのあいまい関数を示す。FIG. 9 shows an ambiguous function of the C-PM mask of FIG. 3;

【図10】 図3のC−PMマスクを有し、焦点ずれがなく、デジタル処理前の図2の拡大
被写界深度に関するOTFを示す。
FIG. 10 shows the OTF for the expanded depth of field of FIG. 2 with the C-PM mask of FIG. 3, without defocus and before digital processing.

【図11】 焦点ずれがない処理後の図2のC−PMシステムに関するOTFを示す。FIG. 11 shows the OTF for the C-PM system of FIG. 2 after processing without defocus.

【図12】 軽い焦点ずれを持った(処理前)図2のC−PMシステムに関するOTFを示
す。
FIG. 12 shows the OTF for the C-PM system of FIG. 2 with slight defocus (before processing).

【図13】 軽い焦点ずれを持った(処理後)図2のC−PMシステムに関するOTFを示
す。
FIG. 13 shows the OTF for the C-PM system of FIG. 2 with slight defocus (after processing).

【図14】 大きな焦点ずれを持った(処理前)図2のC−PMシステムに関するOTFを
示す。
FIG. 14 shows the OTF for the C-PM system of FIG. 2 with a large defocus (before processing).

【図15】 大きな焦点ずれを持った(処理後)図2のC−PMシステムに関するOTFを
示す。
FIG. 15 shows the OTF for the C-PM system of FIG. 2 with large defocus (after processing).

【図16】 図1の標準システムおよび図2のC−PMシステムに対し、焦点ずれが増大す
るような点像分布関数の半値全幅(FWHM)の図面を示す。
FIG. 16 shows a diagram of the full width at half maximum (FWHM) of the point spread function such that defocus increases for the standard system of FIG. 1 and the C-PM system of FIG. 2;

【図17】 焦点ずれがない図1の標準的な撮像システムに関するPSFを示す。FIG. 17 shows the PSF for the standard imaging system of FIG. 1 without defocus.

【図18】 軽い焦点ずれを持った図1の標準システムに関するPSFを示す。FIG. 18 shows the PSF for the standard system of FIG. 1 with slight defocus.

【図19】 大きな焦点ずれを持った図1の標準的なシステムに関するPSFを示す。FIG. 19 shows the PSF for the standard system of FIG. 1 with large defocus.

【図20】 焦点ずれがない処理前の図2のC−PMシステムに関するPSFを示す。FIG. 20 shows the PSF for the C-PM system of FIG. 2 before defocus-free processing.

【図21】 焦点ずれがない処理後の図2のC−PMシステムに関するPSFを示す。FIG. 21 shows the PSF for the C-PM system of FIG. 2 after processing without defocus.

【図22】 小さな焦点ずれを持った処理後の図2のC−PMシステムに関するPSFを示
す。
FIG. 22 shows the PSF for the C-PM system of FIG. 2 after processing with a small defocus.

【図23】 大きな焦点ずれを持った処理後の図2のC−PMシステムに関するPSFを示
す。
FIG. 23 shows the PSF for the C-PM system of FIG. 2 after processing with significant defocus.

【図24】 焦点ずれがない図1の標準的なシステムからのスポーク状図面を示す。FIG. 24 shows a spoke-like drawing from the standard system of FIG. 1 without defocus.

【図25】 軽い焦点ずれを持った図1の標準的なシステムからのスポーク状図面を示す。FIG. 25 shows a spoke-like drawing from the standard system of FIG. 1 with a slight defocus.

【図26】 大きな焦点ずれを持った標準的な図1のシステムからのスポーク状図面を示す
FIG. 26 shows a spoke-like drawing from the standard FIG. 1 system with large defocus.

【図27】 焦点ずれがない(処理前)図2のC−PMシステムからのスポーク状図面を示
す。
FIG. 27 shows a spoke-like drawing from the C-PM system of FIG. 2 without defocus (before processing).

【図28】 焦点ずれがない(処理後)図2のC−PMシステムからのスポーク状図面を示
す。
FIG. 28 shows a spoke-like drawing from the C-PM system of FIG. 2 without defocus (after processing).

【図29】 軽い焦点ずれを持った(処理後)図2のC−PMシステムからのスポーク状図
面を示す。
FIG. 29 shows a spoke-like drawing from the C-PM system of FIG. 2 with a slight defocus (after processing).

【図30】 大きな焦点ずれを持った(処理後)図2のC−PMシステムからのスポーク状
図面を示す。
FIG. 30 shows a spoke-like drawing from the C-PM system of FIG. 2 with large defocus (after processing).

【図31】 受動測距を持った拡大被写界深度機能を組み合わせた本発明による撮像システ
ムを示す。
FIG. 31 shows an imaging system according to the present invention that combines an extended depth of field function with passive ranging.

【図32】 受動測距の位相マスクを示す。FIG. 32 shows a phase mask for passive ranging.

【図33】 図31の装置において使用する拡大被写界深度および受動測距用位相マスクを
示す。
FIG. 33 shows a phase mask for expanded depth of field and passive ranging used in the apparatus of FIG. 31.

【図34】 焦点ずれがない図31の実施例の点像分布関数を示す。FIG. 34 shows a point spread function of the embodiment of FIG. 31 without defocus.

【図35】 大きな正の焦点ずれを持った図31の実施例の点像分布関数を示す。FIG. 35 shows the point spread function of the embodiment of FIG. 31 with a large positive defocus.

【図36】 大きな負の焦点ずれを持った図31の実施例の点像分布関数を示す。FIG. 36 shows the point spread function of the embodiment of FIG. 31 with a large negative defocus.

【図37】 拡大被写界深度機能および焦点ずれがない図31の実施例の点像分布関数を示
す。
FIG. 37 illustrates the point spread function of the embodiment of FIG. 31 without the extended depth of field function and defocus.

【図38】 拡大被写界深度機能がなく、大きな正の焦点ずれを持った図31の実施例の光
学伝達関数を示す。
FIG. 38 shows the optical transfer function of the embodiment of FIG. 31 without the extended depth of field function and with a large positive defocus.

【図39】 拡大被写界深度機能がなく、大きな負の焦点ずれを持った図31の実施例の光
学伝達関数を示す。
FIG. 39 shows the optical transfer function of the embodiment of FIG. 31 without the extended depth of field function and with a large negative defocus.

【図40】 少量の焦点ずれを持った図31の拡大被写界深度受動測距の光学伝達関数を示
す。
FIG. 40 shows the optical transfer function of the expanded depth of field passive ranging of FIG. 31 with a small amount of defocus.

【図41】 拡大被写界深度機能がなく、少量の焦点ずれを持った受動測距システムの光学
伝達関数を示す。
FIG. 41 shows the optical transfer function of a passive ranging system without an extended depth of field feature and with a small amount of defocus.

【図42】 図2のレンズの代わりに用いられるプラスチック光学要素を持ち、図2のED
F撮像システムと同様なEDF撮像システムを示す。
FIG. 42 has a plastic optical element used in place of the lens of FIG.
1 shows an EDF imaging system similar to the F imaging system.

【図43】 図2のレンズの代わりに用いられる赤外レンズを持ち、図2のEDF撮像シス
テムと同様なEDF撮像システムを示す。
FIG. 43 shows an EDF imaging system similar to the EDF imaging system of FIG. 2 with an infrared lens used in place of the lens of FIG.

【図44】 図3のEDFマスクと接合されたカラーフィルタを示す。FIG. 44 shows a color filter bonded to the EDF mask of FIG. 3;

【図45】 本発明による組み合わされたレンズ/EDFマスクを示す。FIG. 45 illustrates a combined lens / EDF mask according to the present invention.

【図46】 本発明による組み合わされた回折格子/EDFマスクを示す。FIG. 46 illustrates a combined diffraction grating / EDF mask according to the present invention.

【図47】 レンズが焦点ずれ収差を有し、図2のEDF光学システムと同様なEDF光学
システムを示す。
FIG. 47 shows an EDF optical system similar to the EDF optical system of FIG. 2, wherein the lens has defocus aberration.

【図48】 EDF関数を実行するために組み合わせたシステムの異なる位置で2つのマス
クを使用する本発明によるEDF光学システムを示す。
FIG. 48 illustrates an EDF optical system according to the present invention using two masks at different locations of the combined system to perform the EDF function.

【図49】 図2のレンズの代わりに用いられる自己集束ファイバを持ち、図2のEDF撮
像システムと同様なEDF撮像システムを示す。
FIG. 49 shows an EDF imaging system similar to the EDF imaging system of FIG. 2 with a self-focusing fiber used in place of the lens of FIG.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,UG,ZW),E A(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ ,TM),AL,AM,AT,AU,AZ,BA,BB ,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CU,CZ, DE,DK,EE,ES,FI,GB,GE,GH,G M,HR,HU,ID,IL,IS,JP,KE,KG ,KP,KR,KZ,LC,LK,LR,LS,LT, LU,LV,MD,MG,MK,MN,MW,MX,N O,NZ,PL,PT,RO,RU,SD,SE,SG ,SI,SK,SL,TJ,TM,TR,TT,UA, UG,UZ,VN,YU,ZW (71)出願人 3101 Iris Avenue, Sui te 250, Boulder, Col orado 80301, United S tates of America (72)発明者 ドウスキー エドワード アール. ジュ ニア アメリカ合衆国 80026 コロラド州 ラ ファイエット イースト クレバランド ストリート 307──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (81) Designated country EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE ), OA (BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, KE, LS, MW, SD, SL, SZ, UG, ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY , CA, CH, CN, CU, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, GB, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IS, JP, KE, KG , KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, UA, UG, UZ, VN, YU, ZW (71) Applicant 3101 Iris Avenue, Suite 250, Boulder, Colorado 80301, United States Statesofos America (72) Inventor Dowski Edward Earl. Junior United States 80026 La Fayette, Colorado East Clelandland Street 307

Claims (74)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 非干渉光を処理する光学システムの被写界深度を増大する装
置であって、前記光学システムは光学伝達関数を有し、前記光学システムは物体
から与えられる非干渉光を像平面上に焦点を結ばせる手段を有し、かつ像平面に
入射した光像の電気的描写を記憶する記憶手段を有し、 物体と記憶手段との間に位置する光学マスク − 前記マスクは光学システムの
光学伝達関数を変調するように作成されて配備され、その結果、変調光学伝達関
数が未変調光学伝達関数によって与えられるよりも広い物体距離範囲に亙って物
体と光学システムとの間の未知の距離に実質的に依存しないようになり、前記マ
スクは、前記マスクを介して伝達される光の位相に作用することにより、実質的
に光学伝達関数に対する前記変調に作用する − と、 マスクによりなされた光学伝達関数の変調を逆に行うことによって、記憶され
た光像の電気的描写を復元する被写界深度後処理手段と を具えた装置。
1. An apparatus for increasing the depth of field of an optical system for processing incoherent light, said optical system having an optical transfer function, wherein said optical system images incoherent light provided by an object. An optical mask having means for focusing on a plane, and storing means for storing an electrical depiction of the light image incident on the image plane; an optical mask positioned between the object and the storage means; Created and deployed to modulate the optical transfer function of the system, such that the modulated optical transfer function between the object and the optical system over a wider object distance range than given by the unmodulated optical transfer function. Becomes substantially independent of an unknown distance, and the mask acts on the modulation of the optical transfer function substantially by acting on the phase of light transmitted through the mask; and Depth-of-field post-processing means for restoring the electrical depiction of the stored light image by reversing the modulation of the optical transfer function made by the mask.
【請求項2】 前記焦点を結ぶ手段がプラスチックレンズを具えている請求
項1の装置。
2. The apparatus of claim 1 wherein said focusing means comprises a plastic lens.
【請求項3】 前記焦点を結ぶ手段が赤外レンズを具えている請求項1の装
置。
3. The apparatus of claim 1 wherein said focusing means comprises an infrared lens.
【請求項4】 前記焦点を結ぶ手段が自己集束ファイバを具えている請求項
1の装置。
4. The apparatus of claim 1, wherein said focusing means comprises a self-focusing fiber.
【請求項5】 前記マスクは、カラーフィルタと接合されている請求項1の
装置。
5. The apparatus of claim 1, wherein said mask is bonded to a color filter.
【請求項6】 前記焦点を結ぶ手段は、マスクと接合されたレンズを具えて
いる請求項1の装置。
6. The apparatus of claim 1, wherein said focusing means comprises a lens cemented with a mask.
【請求項7】 前記マスクは、回折要素と接合されている請求項1の装置。7. The apparatus of claim 1, wherein said mask is bonded to a diffractive element. 【請求項8】 前記焦点を結ぶ手段が焦点ずれ収差を含んでいる請求項1の
装置。
8. The apparatus of claim 1, wherein said focusing means includes defocus aberration.
【請求項9】 前記焦点を結ぶ手段は、以下の焦点ずれ収差:球面収差,非
点収差,像面湾曲,色収差,温度依存性焦点移動のうちの少なくとも1つを含ん
でいる請求項8の装置。
9. The method of claim 8, wherein the means for focusing includes at least one of the following defocus aberrations: spherical aberration, astigmatism, field curvature, chromatic aberration, and temperature-dependent focal shift. apparatus.
【請求項10】 前記位相マスクが3次元PM位相マスクである請求項1の
装置。
10. The apparatus of claim 1, wherein said phase mask is a three-dimensional PM phase mask.
【請求項11】 3次元PMマスクが対称で分離可能に直交している請求項
10の装置。
11. The apparatus of claim 10, wherein the three-dimensional PM mask is symmetric and separably orthogonal.
【請求項12】 前記焦点を結ぶ手段がプラスチックレンズを具えている請
求項10の装置。
12. The apparatus of claim 10, wherein said focusing means comprises a plastic lens.
【請求項13】 前記焦点を結ぶ手段が赤外レンズを具えている請求項10
の装置。
13. The apparatus of claim 10, wherein said focusing means comprises an infrared lens.
Equipment.
【請求項14】 前記焦点を結ぶ手段が自己集束要素を具えている請求項1
0の装置。
14. The method of claim 1, wherein the focusing means comprises a self-focusing element.
0 device.
【請求項15】 前記マスクは、カラーフィルタと接合されている請求項1
0の装置。
15. The mask according to claim 1, wherein the mask is bonded to a color filter.
0 device.
【請求項16】 前記焦点を結ぶ手段は、マスクと接合されたレンズを具え
ている請求項10の装置。
16. The apparatus of claim 10, wherein said focusing means comprises a lens cemented with a mask.
【請求項17】 前記マスクは、回折要素と接合されている請求項10の装
置。
17. The apparatus of claim 10, wherein said mask is joined with a diffractive element.
【請求項18】 前記焦点を結ぶ手段が焦点ずれ収差を含んでいる請求項1
0の装置。
18. The method according to claim 1, wherein the focusing means includes defocus aberration.
0 device.
【請求項19】 非干渉光を処理する光学システムの被写界深度を増大する
装置であって、前記光学システムは光学伝達関数を有し、前記光学システムは物
体から与えられる非干渉光を像平面上に焦点を結ばせる手段を有し、かつ像平面
に入射した光像の電気的描写を記憶する記憶手段を有し、 物体と記憶手段との間に位置する2つの光学マスク − 前記マスクは光学シス
テムの光学伝達関数を変調するように作成されて配備され、その結果、変調光学
伝達関数が未変調光学伝達関数によって与えられるよりも広い物体距離範囲に亙
って物体と光学システムとの間の未知の距離に実質的に依存しないようになり、
前記マスクは、前記マスクを介して伝達される光の位相に作用することにより、
実質的に光学伝達関数に対する前記変調に作用する − と、 マスクによりなされた光学伝達関数の変調を逆に行うことによって、記憶され
た光像の電気的描写を復元する被写界深度後処理手段と を具えた装置。
19. An apparatus for increasing the depth of field of an optical system for processing incoherent light, said optical system having an optical transfer function, wherein said optical system images incoherent light provided by an object. Two optical masks having means for focusing on a plane and having storage means for storing an electrical depiction of the light image incident on the image plane, said two optical masks being located between the object and the storage means; Are created and deployed to modulate the optical transfer function of the optical system, so that the modulated optical transfer function can be transmitted between the object and the optical system over a wider object distance range than given by the unmodulated optical transfer function. Become substantially independent of the unknown distance between them,
The mask acts on the phase of light transmitted through the mask,
Depth-of-field post-processing means for restoring the electrical depiction of the stored light image by substantially effecting said modulation on the optical transfer function and reversing the modulation of the optical transfer function made by the mask. A device with and.
【請求項20】 物体を撮像する光学システムで使用する光学マスクであっ
て、 光学材料の本体 − 予め選択された位相伝達関数に従って前記本体を通過する
光の波面に変化をもたらすように作成されて配備される − を具え、 波面の変化によって光学システムの変調光学伝達関数をもたらし、変調光学伝
達関数は、フィルタのない光学システムの光学伝達関数よりも物体と光学システ
ムとの間の距離に対する依存性が実質的に少ない光学マスク。
20. An optical mask for use in an optical system for imaging an object, the optical mask comprising: a body of optical material-created to effect a change in a wavefront of light passing through the body according to a preselected phase transfer function. Deployed to provide a modulated optical transfer function of the optical system by changing the wavefront, wherein the modulated optical transfer function is more dependent on the distance between the object and the optical system than the optical transfer function of the unfiltered optical system. An optical mask having substantially less.
【請求項21】 3次元位相変調関数を満たすように作成されて配備された
請求項20のマスク。
21. The mask of claim 20, which is created and deployed to satisfy a three-dimensional phase modulation function.
【請求項22】 位相変調関数ax3+by3を満たすように作成されて配備
され、ここでaおよびbは定数であり、xおよびyは光が通過するマスクの光学
領域を表す請求項21のマスク。
22. The method of claim 21 wherein the phase modulation function is created and deployed to satisfy ax 3 + by 3 , wherein a and b are constants and x and y represent the optical area of the mask through which light passes. mask.
【請求項23】 波面の変化がマスクの厚さの変化によってもたらされる請
求項22のマスク。
23. The mask of claim 22, wherein the change in wavefront is caused by a change in thickness of the mask.
【請求項24】 波面の変化がマスクの屈折率の変化によってもたらされる
請求項22のマスク。
24. The mask of claim 22, wherein the change in wavefront is caused by a change in the refractive index of the mask.
【請求項25】 位相変調関数ax3+by3+cx2y+dxy2を満たすよ
うに作成されて配備され、ここでa,b,cおよびdは定数であり、xおよびy
は光が通過するマスクの光学領域を表す請求項21のマスク。
25. Created and deployed to satisfy a phase modulation function ax 3 + by 3 + cx 2 y + dxy 2 , where a, b, c and d are constants and x and y
22. The mask of claim 21 wherein represents the optical area of the mask through which light passes.
【請求項26】 波面の変化がマスクの厚さの変化によってもたらされる請
求項25のマスク。
26. The mask of claim 25, wherein the change in wavefront is effected by a change in mask thickness.
【請求項27】 波面の変化がマスクの屈折率の変化によってもたらされる
請求項25のマスク。
27. The mask of claim 25, wherein the change in wavefront is caused by a change in the refractive index of the mask.
【請求項28】 物体からの光を集める手段と、 3次元位相変調関数に従って集められた光の波面を変調する手段と、 変調された光を放射する手段と を具えた光学マスク。28. An optical mask comprising: means for collecting light from an object; means for modulating a wavefront of the collected light according to a three-dimensional phase modulation function; and means for emitting modulated light. 【請求項29】 変調する手段が位相変調関数ax3+by3を満たし、ここ
でaおよびbは定数であり、xおよびyは光が通過するマスクの光学領域を表す
請求項28のマスク。
29. means for modulating satisfies the phase modulation function ax 3 + by 3, where a and b are constants, x and y are the mask of claim 28 which represents the optical area of the mask through which light passes.
【請求項30】 変調する手段がマスクの厚さの変化を具えている請求項2
9のマスク。
30. The method of claim 2, wherein the modulating means comprises a change in mask thickness.
9 masks.
【請求項31】 変調する手段がマスクの屈折率の変化を具えている請求項
29のマスク。
31. The mask of claim 29, wherein the modulating means comprises a change in the refractive index of the mask.
【請求項32】 変調する手段がax3+by3+cx2y+dxy2を満たし
、ここでa,b,cおよびdは定数であり、xおよびyは光が通過するマスクの
光学領域を表す請求項28のマスク。
32. The means for modulating satisfies ax 3 + by 3 + cx 2 y + dxy 2 , wherein a, b, c and d are constants, and x and y represent the optical area of the mask through which light passes. 28 masks.
【請求項33】 変調する手段がマスクの厚さの変化を具えている請求項3
2のマスク。
33. The method of claim 3, wherein the modulating means comprises a change in mask thickness.
2 mask.
【請求項34】 変調する手段がマスクの屈折率の変化を具えている請求項
32のマスク。
34. The mask of claim 32, wherein the modulating means comprises a change in the refractive index of the mask.
【請求項35】 画像形成光学システムにおいてコントラストを低減する光
学マスクであって、 光学材料の本体 − 3次元位相変調関数に従って本体を通過する光の波面に変
化をもたらすように作成されて配備される − を具えた光学マスク。
35. An optical mask for reducing contrast in an imaging optical system, wherein the optical mask is made and deployed to effect a change in a wavefront of light passing through the body according to a three-dimensional phase modulation function. An optical mask comprising
【請求項36】 位相変調関数ax3+by3を満たすように作成されて配備
され、ここでaおよびbは定数であり、xおよびyは光が通過するマスクの光学
領域を表す請求項35のマスク。
36. The method of claim 35, wherein the phase modulation function is created and deployed to satisfy ax 3 + by 3 , where a and b are constants and x and y represent the optical area of the mask through which light passes. mask.
【請求項37】 波面の変化がマスクの厚さの変化によってもたらされる請
求項36のマスク。
37. The mask of claim 36, wherein the change in wavefront is effected by a change in mask thickness.
【請求項38】 波面の変化がマスクの屈折率の変化によってもたらされる
請求項36のマスク。
38. The mask of claim 36, wherein the change in wavefront is caused by a change in the refractive index of the mask.
【請求項39】 位相変調関数ax3+by3+cx2y+dxy2を満たすよ
うに作成されて配備され、ここでa,b,cおよびdは定数であり、xおよびy
は光が通過するマスクの光学領域を表す請求項35のマスク。
39. Created and deployed to satisfy the phase modulation function ax 3 + by 3 + cx 2 y + dxy 2 , where a, b, c and d are constants and x and y
36. The mask of claim 35, wherein represents the optical area of the mask through which light passes.
【請求項40】 波面の変化がマスクの厚さの変化によってもたらされる請
求項39のマスク。
40. The mask of claim 39, wherein the change in wavefront is effected by a change in mask thickness.
【請求項41】 波面の変化がマスクの屈折率の変化によってもたらされる
請求項39のマスク。
41. The mask of claim 39, wherein the change in wavefront is caused by a change in the refractive index of the mask.
【請求項42】 光学材料の本体 − 3次元位相変調関数に従って本体を通
過する光の波面に変化をもたらすように作成されて配備される − を具えた光学
的低域フィルタ。
42. An optical low-pass filter comprising a body of optical material-created and deployed to effect a change in the wavefront of light passing through the body according to a three-dimensional phase modulation function.
【請求項43】 位相変調関数ax3+by3を満たすように作成されて配備
され、ここでaおよびbは定数であり、xおよびyは光が通過するマスクの光学
領域を表す請求項42のマスク。
43. The method of claim 42, wherein the phase modulation function is created and deployed to satisfy ax 3 + by 3 , wherein a and b are constants and x and y represent the optical area of the mask through which light passes. mask.
【請求項44】 波面の変化がマスクの厚さの変化によってもたらされる請
求項43のマスク。
44. The mask of claim 43, wherein the change in wavefront is effected by a change in mask thickness.
【請求項45】 波面の変化がマスクの屈折率の変化によってもたらされる
請求項43のマスク。
45. The mask of claim 43, wherein the change in wavefront is caused by a change in the refractive index of the mask.
【請求項46】 位相変調関数ax3+by3+cx2y+dxy2を満たすよ
うに作成されて配備され、ここでa,b,cおよびdは定数であり、xおよびy
は光が通過するマスクの光学領域を表す請求項42のマスク。
46. Created and deployed to satisfy a phase modulation function ax 3 + by 3 + cx 2 y + dxy 2 , where a, b, c and d are constants and x and y
43. The mask of claim 42, wherein represents the optical area of the mask through which light passes.
【請求項47】 波面の変化がマスクの厚さの変化によってもたらされる請
求項46のマスク。
47. The mask of claim 46, wherein the change in wavefront is caused by a change in mask thickness.
【請求項48】 波面の変化がマスクの屈折率の変化によってもたらされる
請求項46のマスク。
48. The mask of claim 46, wherein the change in wavefront is caused by a change in the refractive index of the mask.
【請求項49】 実質的に以下の3次元関数に従う厚さの変化を持った光学
材料の本体を具えている光学マスク。
49. An optical mask comprising a body of optical material having a thickness change substantially according to a three-dimensional function:
【請求項50】 撮像システムにおいて光学的低域フィルタとして用いられ
る請求項49のマスク。
50. The mask of claim 49 used as an optical low pass filter in an imaging system.
【請求項51】 撮像システムにおいてコントラストを低減するために用い
られる請求項49のマスク。
51. The mask of claim 49, used to reduce contrast in an imaging system.
【請求項52】 撮像システムにおいて被写界深度を拡げるために用いられ
る請求項49のマスク。
52. The mask of claim 49 used to increase the depth of field in an imaging system.
【請求項53】 3次元関数がax3+by3の形式であり、ここでaおよび
bは定数であり、xおよびyはマスク表面を横切る空間座標である請求項49の
マスク。
53. The mask of claim 49, wherein the three-dimensional function is of the form ax 3 + by 3 , wherein a and b are constants and x and y are spatial coordinates across the mask surface.
【請求項54】 3次元関数がr3cos(3q)の形式であり、ここでrおよび
qはマスク表面を横切る極座標である請求項49のマスク。
54. The mask of claim 49, wherein the three-dimensional function is of the form r 3 cos (3q), where r and q are polar coordinates across the mask surface.
【請求項55】 3次元関数がax3+by3+cx2y+dxy2の形式であ
り、ここでa,b,cおよびdは定数であり、xおよびyはマスク表面を横切る
空間座標である請求項49のマスク。
55. The three-dimensional function is of the form ax 3 + by 3 + cx 2 y + dxy 2 , where a, b, c and d are constants and x and y are spatial coordinates across the mask surface. 49 masks.
【請求項56】 光学材料の本体 − 実質的に3次元位相変調関数に従って
本体を通過する光の波面に変化をもたらすように作成されて配備される − を具
えた光学マスク。
56. An optical mask comprising a body of optical material-created and arranged to effect a change in the wavefront of light passing through the body substantially according to a three-dimensional phase modulation function.
【請求項57】 撮像システムにおいて光学的低域フィルタとして用いられ
る請求項56のマスク。
57. The mask of claim 56 used as an optical low pass filter in an imaging system.
【請求項58】 撮像システムにおいてコントラストを低減するために用い
られる請求項56のマスク。
58. The mask of claim 56, used to reduce contrast in an imaging system.
【請求項59】 撮像システムにおいて被写界深度を拡げるために用いられ
る請求項56のマスク。
59. The mask of claim 56 used to extend the depth of field in an imaging system.
【請求項60】 位相変調関数ax3+by3を満たすように作成されて配備
され、ここでaおよびbは定数であり、xおよびyはマスク表面を横切る空間座
標である請求項56のマスク。
60. The mask of claim 56, wherein the mask is constructed and deployed to satisfy a phase modulation function ax 3 + by 3 , where a and b are constants and x and y are spatial coordinates across the mask surface.
【請求項61】 実質的に位相変調関数r3cos(3q)を満たすように作成さ
れて配備され、ここでrおよびqはマスク表面を横切る極座標である請求項49
のマスク。
61. A mask constructed and deployed to substantially satisfy a phase modulation function r 3 cos (3q), wherein r and q are polar coordinates across the mask surface.
mask of.
【請求項62】 位相変調関数ax3+by3+cx2y+dxy2を満たすよ
うに作成されて配備され、ここでa,b,cおよびdは定数であり、xおよびy
はマスク表面を横切る空間座標である請求項56のマスク。
62. Created and deployed to satisfy a phase modulation function ax 3 + by 3 + cx 2 y + dxy 2 , where a, b, c and d are constants and x and y
57. The mask of claim 56, wherein is a spatial coordinate across the mask surface.
【請求項63】 物体および画像捕捉装置を有する光学システムで使用する
光学的低域フィルタであって、 物体からの光を集める手段と、 物体から集められた光の波面を湾曲した非対称な態様で変調する手段と、 画像捕捉装置によって捕捉された変調光を放射する手段と を具え、波面を変調する手段は、波面を変調するように作成されて配備され、そ
の結果、捕捉画像が所定の空間周波数帯域限度外で選択された出力限度を下回る
光学的出力を有するように抑制される光学的低域フィルタ。
63. An optical low-pass filter for use in an optical system having an object and an image capture device, comprising: means for collecting light from the object; and a wavefront of light collected from the object in a curved asymmetric manner. Means for modulating, and means for emitting modulated light captured by the image capture device, wherein the means for modulating the wavefront is constructed and arranged to modulate the wavefront so that the captured image is in a predetermined space. An optical low pass filter that is constrained to have an optical output below a selected output limit outside the frequency band limit.
【請求項64】 光の波面を変調する手段が変化する厚みを持った光学材料
から形成される伝達要素を具え、前記要素は物体からの光路中に配備され、物体
からの光がこれを通過すると物体からの光の位相を変調する請求項63の低域フ
ィルタ。
64. The means for modulating the wavefront of light comprises a transmission element formed from an optical material having a variable thickness, said element being disposed in an optical path from an object through which light from the object passes. The low-pass filter according to claim 63, which modulates the phase of light from the object.
【請求項65】 光の波面を変調する手段が変化する屈折率を持った光学材
料から形成される伝達要素を具え、前記要素は物体からの光路中に配備され、物
体からの光が要素を通過すると物体からの光の位相を変調する請求項63の低域
フィルタ。
65. The means for modulating the wavefront of light comprises a transmission element formed of an optical material having a varying index of refraction, said element being disposed in an optical path from an object, wherein the light from the object reflects the element. 64. The low pass filter of claim 63, wherein the low pass filter modulates the phase of light from the object when passed.
【請求項66】 光の波面を変調する手段は、変化する厚みを持った光学材
料で構成される要素と、変化する屈折率を持った光学材料で構成される要素とか
ら形成された伝達要素を具えている請求項63の低域フィルタ。
66. A means for modulating the wavefront of light is a transmission element formed of an element made of an optical material having a varying thickness and an element made of an optical material having a varying refractive index. 64. The low pass filter of claim 63, comprising:
【請求項67】 フィルタを通った光から形成される光学画像の空間解像度
を減じる光学的低域フィルタであって、 光学材料から形成される本体を具え、前記本体はこれを通過する光に対してほ
ぼ直交する方向に厚みを有し、この厚みは湾曲した非対称な態様で変化し、それ
によって本体を通過する光の位相は、光が通過する本体の領域に依存し、 厚みの変化は、所定の帯域限度外にある画像の光学的出力を所定の出力レベル
よりも低く減じるように作成されて配備されている光学的低域フィルタ。
67. An optical low-pass filter for reducing the spatial resolution of an optical image formed from light passing through a filter, comprising: a body formed from optical material, said body receiving light passing therethrough. The thickness of the light passing through the body depends on the area of the body through which the light passes, and the change in thickness is An optical low-pass filter created and deployed to reduce the optical power of an image that is outside a predetermined band limit below a predetermined power level.
【請求項68】 フィルタの位相関数がフィルタの厚みに比例し、フィルタ
の位相関数は、以下の形式を有する関数: p(x,y)=y3(a+b)+yx2(3a−b),ここで x2+y2£1 a,bは実数 によって表される請求項67の低域フィルタ。
68. The phase function of the filter is proportional to the thickness of the filter, and the phase function of the filter has the form: p (x, y) = y 3 (a + b) + yx 2 (3a-b), here x 2 + y 2 £ 1 a , b low-pass filter according to claim 67 represented by a real number.
【請求項69】 物体から非干渉性光学システムを通って画像位置に伝達さ
れた光から形成される画像の空間解像度を減じる方法であって、 物体から光学システムを通って画像位置に光を伝達するステップと、 湾曲した非対称な態様で光の波面の位相に作用するステップと、 画像位置で画像を捕捉するステップと を具え、位相作用ステップが位相に作用し、その結果、形成される画像が所定
の空間周波数帯域限度外で選択された出力限界を下回る光学的出力を有するよう
に抑制される方法。
69. A method for reducing the spatial resolution of an image formed from light transmitted from an object through an incoherent optical system to an image location, the method comprising transmitting light from the object through the optical system to the image location. Operating on the phase of the light wavefront in a curved, asymmetric manner; and capturing the image at the image location, wherein the phase operating step operates on the phase, so that the image formed is A method that is constrained to have an optical power below a selected power limit outside a predetermined spatial frequency band limit.
【請求項70】 位相作用ステップは、光の位相を変調する伝達要素を通っ
て光を通過させ、それによって波面を変調するステップを具えている請求項69
の方法。
70. The phase actuating step comprises passing light through a transmission element that modulates the phase of the light, thereby modulating the wavefront.
the method of.
【請求項71】 位相作用ステップは、実質的に3次元関数に従って位相に
作用する請求項70の方法。
71. The method of claim 70, wherein the phase acting step acts on the phase substantially according to a three-dimensional function.
【請求項72】 レンズと、 低域フィルタと、 像平面に形成された画像を捕捉する手段と を具えた物体と像平面との間に配設される光学撮像システムであって、 低域フィルタは、湾曲した非対称な態様で物体からの光の位相面を変調する手
段を具え、その結果、捕捉画像が所定の空間周波数帯域限度外で選択された出力
限界を下回る光学的出力を有するように抑制される。
72. An optical imaging system disposed between an object and an image plane comprising a lens, a low-pass filter, and means for capturing an image formed in the image plane, the system comprising: a low-pass filter; Comprises means for modulating the phase front of the light from the object in a curved, asymmetric manner, so that the captured image has an optical output below a selected output limit outside a predetermined spatial frequency band limit. Is suppressed.
【請求項73】 光を変調する前記手段は、 光学材料から形成される本体を具え、前記本体は本体を通過する光の方向にお
いて湾曲した非対称な態様で厚みが変化し、それによって本体を通過する光の位
相は、光が通過する本体の領域に依存する請求項72の光学システム。
73. The means for modulating light comprises a body formed from an optical material, the body varying in thickness in a curved, asymmetric manner in the direction of light passing through the body, thereby passing through the body. 73. The optical system of claim 72, wherein the phase of the incident light depends on the area of the body through which the light passes.
【請求項74】 本体の厚みが実質的に3次元関数に従って変化する請求項
73の光学システム。
74. The optical system of claim 73, wherein the thickness of the body varies substantially according to a three-dimensional function.
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