JP2008033065A - 円形レンズと該円形レンズを含むレンズバレル、及び該円形レンズを用いた撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光軸中心に対して非対称な面からなる自由曲面を形成した光波面変調素子を、複雑な装置を用いず、簡単に短時間で、しかも高精度に心取り加工できるようにした円形レンズと、該円形レンズを含むレンズバレル、及びその円形レンズを用いた撮像装置を提供すること。
【解決手段】光学系１１と、該光学系１１に備えた少なくとも一つの光波面変調素子１１４と、光学系１１および光波面変調素子１１４を通過した被写体分散像を撮像する撮像素子と、撮像素子からの被写体分散画像信号から分散のない画像信号を生成する変換手段とを備え、光波面変調素子１１４として光軸中心に対して非対称な面からなる自由曲面１１３を光透過域に有し、該自由曲面周囲１１３を囲繞して光軸に中心を持つと共に光入射側と光出射側とで異なる曲率で半径方向に向け、肉厚が増加または減少するクランプ用曲面１１４１を形成した円形レンズを用いて光学系１１を構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、円形レンズと該円形レンズを含むレンズバレル、及び該円形レンズを用いた撮像装置に関し、特に、光軸中心に対して非対称な面からなる自由曲面を有する円形レンズと該円形レンズを含むレンズバレル、及び該円形レンズを用いた撮像装置に関するものである。

近年の映像分野における技術進歩はめざましく、例えば非特許文献１、２、特許文献１〜５には、光学系中に光束を規則的に分散するため位相板（Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ｃｏｄｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ）を用い、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサを用いた撮像素子に結像させて、得られた画像データをデジタル処理により復元させ、被写界深度の深い画像撮影を可能にする等の撮像装置が提案されている。

これら文献に示されている位相板（Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ｃｏｄｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ）は、単板形式のものや回転非対称な表面形状を有して或る程度の厚みのあるレンズ状のものなどがあるが、回転非対称な表面形状を有して或る程度の厚みのあるレンズ状の位相板は、削り出し等で作成したり、削り出したものをレンズに貼り付けたりして作成することもできるが、非常に工数を要してコストが高くなってしまう。

一方、一般的なレンズの作成方法の一つであるガラス成形などにより、このように回転非対称な表面形状を有するレンズを作成しようとすると、その製造が困難という問題がある。

すなわちガラス成形は、超硬合金やセラミック材等によりつくられた型に、耐蝕性や耐酸化性を向上させるために保護コートを施し、ガラスをその軟化点近傍で加圧して光学面やフランジ面部を成形転写して作り、高精度、低コストでレンズを製造することができる。

この加圧成形方法には２つの方法があり、その１つは、成形レンズの両光学面を転写するための光学面を有する２つの入れ子と胴型部品により構成される成形キャビティ内に、加熱されたガラスを入れて２つの入れ子の距離を縮める事で加圧充填して成形する充填成形、もう１つは胴型部品がないかもしくはガラスとは接触しない位置にあり、光学面を有する２つの入れ子部品の距離を縮める事で加圧成形するが、外周方向については、ガラスのプレス時の拡がりを規制せず、成形転写を行なわない、例えばはみ出し成形と呼ばれる方式である。

充填成形は、外周部と光学面の偏心を小さく押えておけば成形レンズの外周まで確実に成形転写されるため、成形レンズ外周部の後加工なしで成形後の実装におけるレンズの位置決め基準をそのままつきあてや嵌合部として用いる事ができ、成形レンズ組みあげまで、機械加工が全く必要なくなる。しかしこの方式は、型内のキャビティ容積が決まっているため、ガラスの体積は成形時にキャビティ容積よりも必ず小さくなければならず、通常、球や円板形状で供給されるガラス材料（プリフォーム）の体積管理に精度を要し、コスト高になるという欠点がある。また、成形した外周部は胴型と密着するため貼りつき等が発生し易く、成形レンズを確実に型から取り出すには、入れ子を胴型に対して突き出す等の機械的な取出し機構を型に施す必要がある。

しかしながら型は、プリフォームを加圧成形する際、ガラスの軟化点近傍という高温にさらされるため、入れ子の駆動機構の摺動部は酸化やガラス粉の混入等により作動不良を発生し易く、極めて信頼性の低いものとなる。また、摺動を行うにはスキ間が必要であるから、入れ子の駆動を行う場合は嵌合公差によって両型の偏心精度が悪くなる。それを補うために、偏心に影響する他の型部品の加工精度を高くせねばならず、型のコストも高くなる。

一方、加圧成形時に外周部の規制を行なわないはみ出し成形法では、プリフォームの体積精度が緩くて良く、また型に複雑な駆動機構を持たないため、プリフォーム、型とも安価になる。従って、はみ出し成形法が現在では一般的である。ただはみ出し成形法は、成形後に心取り加工をおこなう必要があるが、この心取り加工には、光学的に心出しして行う方法、ダイヤルゲージにより心出しして行う方法、ベルクランプ法で心出しして行う方法などがあり、このうちベルクランプ法は、比較的短時間で低コストの加工が可能であるため、光学レンズの心取り加工法として一般化している。

このベルクランプ法は、一例として図６（Ａ）に示したように、成形されたレンズ１００を固定軸１０１とクランプ軸１０２の間に送り込み、図６（Ｂ）に示したようにクランプ軸１０２をレンズ１００の方に動かし、固定軸１０１とクランプ軸１０２が完全にレンズ１００の表面に接するようにする。そして固定軸１０１とクランプ軸１０２がレンズ１００を保持した状態で、図６（Ｃ）に示したように固定軸１０１とクランプ軸１０２を回転させると、レンズ１００が１０３で示したように、固定軸１０１とクランプ軸１０２の回転軸１０５とレンズ１００の光軸１０４とが一致する方向に滑り、心出しを行うことができる。

そのためこの状態で、図６（Ｄ）に示したように加工具１０６で固定軸１０１とクランプ軸１０２と共に回転しているレンズ１００の周囲を加工することで、心出しされたレンズ１００を得ることができる。

しかしながらベルクランプ法による心出しは、レンズの表面に光軸に対して対称で、半径方向に厚みが異なる部位が存在しないと正確な心出しができないが、前記文献に示されている回転非対称な表面形状を有して或る程度の厚みのあるレンズ状の位相板（Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ｃｏｄｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ）は、表面形状が光軸に対して非対称な面であり、ベルクランプ法を用いることができない。

このような問題に対しては、例えば特許文献６に、Ｒ１、Ｒ２をレンズの曲率半径、ｒ１、ｒ２をベルクランプに用いるベルホルダーの半径としたとき、
（数１）
Ｚ＝｜（ｒ１／Ｒ１）±（ｒ２／Ｒ２）｜／２
で算出されるＺが小さいとベルクランプが難しいので、このＺの値が小さいモールドレンズのレンズとして用いる有効径部分の外側にクランプ面を設定し、このクランプ面の表裏の曲率の差を、有効径部分の設計形状を延長した仮想曲面における表裏の曲率の差より大きくしてベルクランプを可能としたモールドレンズが示されている。

また同様に特許文献７には、通常のベルクランプ式心取りが不可能である曲率の浅いレンズに対してベルクランプを可能とするため、成形レンズの成形面の回転対称軸と同軸で有効径部外周に曲率部を設け、同軸上に対向配置した第１、第２のベルホルダーをこの曲率部に当接させて芯出しを行った後、第１、第２のベルホルダーと同軸で、かつ、その内径部に軸方向に移動操作可能に配置した第３、第４のホルダーにより芯出ししてレンズを固定し、その後、第１、第２のベルホルダーをレンズ当接状態から退避させて心取り加工を行うようにしたレンズ心出し方法が示されている。

同様に特許文献８には、有効部の厚さの変化が小さいかまたは厚さが一定である光学素子における、光軸に関して回転対称な形状の有効部の外側に径方向に厚さが変化する外縁部を設け、この外縁部の両面を基準面としてベルクランプ方式によって調芯を行うようにした、光学素子ならびに光学素子の調芯方法および製造方法が示され、前記外縁部は、外側に向かって厚くなる形状と薄くなる形状の両方が可能であり、有効部に連続する曲率を有していても、有効部と異なる曲率を有していてもよいとしている。

さらに特許文献９には、シリンドリカルレンズ（円筒面レンズ）の芯出し、ないしは芯取りを自動的に行なうため、まず、円筒面レンズを固定側レンズホルタ上に真空吸着して対向面を弾性体などの治具で挟圧し、測定子移動テーブル上の電気マイクロメータゲージヘッドを介してレンズの測定面上に移動させ、レンズ軸を回転させて当レンズの偏芯量を角度毎に測定して記憶させると共に、当記憶値のうちの最高値２ヶ所を解析して稜線方向を導出し、更に稜線の直角方向の２個所の数値を抽出してその平均値を算出する。この平均値における数値の大きな方向を砥石の回転中心線上で、かつ進行方向になるようにレンズ軸を回転させて停止させ、ここで砥石を押し出して、前記測定平均値になるまでフィードバック制御でレンズの偏芯を修正することを繰り返し、測定平均値が規格値内になった時点で芯出しが完了したとする、レンズ芯取機における円筒面レンズの自動芯出し方法とその装置が示されている。

"WavefrontCoding;jointly optimized optical and digital imaging systems",EdwardR.Dowski,Jr.,Robert H.Cormack,Scott D.Sarama. "WavefrontCoding;A modern method of achieving high performance and/or low cost imagingsystems",Edward R.Dowski,Jr.,Gregory E.Johnson. ＵＳＰ６、０２１、００５ ＵＳＰ６、６４２、５０４ ＵＳＰ６、５２５、３０２ ＵＳＰ６、０６９、７３８ 特開２００３−２３５７９４号公報 特開平７−１１７１４３号公報 特開平９−１０９２７５号公報 特開平１０−３１９２１２号公報 特開２０００−２１０８５４号公報

しかしながら特許文献６、特許文献７、特許文献８に示されたクランプ法は、回転対称な表面形状を有する光学素子に対するものであって、前記したような回転非対称な表面形状を有する光学素子については言及が無く、また、特許文献７に示されたレンズ心出し方法は、合計４つのベルホルダーが必要で、心出し具そのものが高価となる。

さらに特許文献９に示された自動芯出し方法とその装置は、真空吸着装置やシリンドリカルレンズを挟圧するための弾性体を備えた治具、電気マイクロメータゲージなどを用意する必要があって高価となり、さらにレンズの偏芯量を角度毎に測定し、稜線方向の導出やフィードバック制御等が必要で心出しまでに時間が掛かる。

そのため本発明においては、光軸中心に対して非対称な面からなる自由曲面を有する円形レンズでも複雑な装置を用いず、簡単に短時間で、しかも高精度に心取りできるような円形レンズと、その円形レンズを含むレンズバレル、及びその円形レンズを用いた撮像装置を提供することが課題である。

上記課題を解決するため本発明における円形レンズは、
光透過域を形成する光軸中心に対して非対称な面からなる自由曲面と、
該自由曲面周囲を囲繞する前記光透過域外に、光軸中心から対称の曲面を有するクランプ用曲面を有することを特徴とする。

このように円形レンズを、自由曲面と、この自由曲面周囲を囲繞して光軸中心から対称の曲率を有するクランプ用曲面を設けてレンズを構成することで、このクランプ用曲面をクランプすれば前記したベルクランプ法でレンズを加工することができ、例え光透過域が自由曲面であっても正確に心取りをすることが可能となるから、円形レンズ周囲の加工は複雑な装置を用いずとも短時間で簡単に、しかも高精度にコストも抑えて製造することができ、かつ、その部位を保持用鏡筒に固定するためにも使うことができる。

そして上記課題を解決するため本発明における撮像装置は、
光学系と、該光学系に備えた少なくとも一つの光波面変調素子と、前記光学系および光波面変調素子を通過した被写体分散像を撮像する撮像素子と、前記撮像素子からの被写体分散画像信号から分散のない画像信号を生成する変換手段と、を備えた撮像装置において、
前記光波面変調素子として光軸中心に対して非対称な面からなる自由曲面を光透過域に有し、該自由曲面周囲を囲繞して光軸中心から対称な曲面を有するクランプ用曲面を形成した円形レンズとしたことを特徴とする。

このように撮像装置における光波面変調素子として、自由曲面と、この自由曲面周囲を囲繞するクランプ用曲面を形成したレンズとすることで、このクランプ用曲面をクランプすれば前記したベルクランプ法でレンズを加工することができ、例え光透過域が自由曲面であっても正確に心取りをすることが可能となるから、レンズ周囲の加工は複雑な装置を用いずとも短時間で簡単に、しかも高精度にコストも抑えて製造することができる。従って、撮像装置そのものを精度良く、安価に構成することができる。

また、前記課題を解決するため本発明におけるレンズバレルは、
光透過域を形成する光軸中心に対して非対称な面からなる自由曲面と、該自由曲面周囲を囲繞する前記光透過域外に光軸中心から対称の曲面を有するクランプ用曲面を有する円形レンズを、レンズバレル内で前記対称曲面を押圧して保持することを特徴とする。

このようにレンズバレルを構成する円形レンズを、自由曲面と、該自由曲面周囲を囲繞するクランプ用曲面を設けて構成することで、前記したようにこのクランプ用曲面をクランプすれば前記したベルクランプ法でレンズを加工することができ、例え光透過域が自由曲面であっても正確に心取りをすることが可能となる。さらにこのクランプ用曲面をレンズ保持用に使うことで、このクランプ用曲面は光透過域外に光軸中心から対称の曲率を有して設けられているから、光透過域をなんら邪魔せずに確実にレンズを保持することができる。

そして、前記クランプ用曲面は、光入射側と光出射側で異なる曲率で肉厚が増加または減少するように構成することで、確実にベルクランプできるようにすることができる。

さらに、レンズにおける前記自由曲面が対物側にある場合、前記自由曲面周囲に形成したクランプ用曲面を凹レンズとして形成することで、レンズに入射してきた周辺の光を更にレンズ外周に屈折させることができ、外乱光によるゴーストやフレアを軽減することができると共に、こうして製造した円形レンズを鏡筒などに固定する際、固定側が広くなるから光軸合わせが容易になり、また固定も確実に行えるレンズとすることができる。

また、この円形レンズがガラス成形レンズとすることで、より精度の高い円形レンズと該円形レンズを用いた撮像装置とすることができる。

このように本発明になる円形レンズと該円形レンズを含むレンズバレル、及び該円形レンズを用いた撮像装置は、従来は困難であった光軸中心に対して非対称な面からなる自由曲面を有する円形レンズを簡単、高精度に心出しして製造することができ、前記したような光位相変調マスクを高精度に供給することができるから、精度の高い撮像装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

本件出願人は、特願２００５−３４４３０９号に於いて、前記非特許文献１、２、特許文献１〜５に示された被写界深度の深い画像撮影を可能にする等の撮像装置においては、前記した位相板を挿入した場合にＰＳＦ（Ｐｏｉｎｔ−Ｓｐｒｅａｄ−Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）が一定になっていることが前提となっていて、ＰＳＦが変化した場合、その後のカーネルを用いたコンボリューションにより、被写界深度の深い画像を実現することは極めて難しく、ワイド（Ｗｉｄｅ）時やテレ（Ｔｅｌｅ）時のスポット（ＳＰＯＴ）像のズレを引き起こす非点収差、コマ収差、ズーム色収差等の各収差を無くす光学設計が要求されることに鑑み、光学系を簡単化してコスト低減を図ることができ、しかもノイズの影響が小さい復元画像を得ることが可能な撮像装置を提案した。

本発明になる円形レンズと該円形レンズを用いた撮像装置は、この特願２００５−３４４３０９号で提案している撮像装置に用いることを目的になしたものであり、以下、この特願２００５−３４４３０９号で提案している撮像装置を簡単に説明する。

図１は、この特願２００５−３４４３０９号で提案している撮像装置１０の一実施形態を示すブロック構成図であり、撮像装置１０は、光学系１１、撮像素子１２、アナログフロントエンド部（ＡＦＥ）１３、画像処理装置１４、カメラ信号処理部１５、画像表示メモリ１６、画像モニタリング装置１７、操作部１８、および露出制御装置１９等で構成されている。

光学系１１は、被写体物体ＯＢＪを撮影した像を撮像素子１２に供給し、撮像装置１２は、光学系１１で取り込んだ像が結像されて、結像１次画像情報を電気信号の１次画像信号ＦＩＭとして、アナログフロントエンド部１３を介して画像処理装置１４に出力するＣＣＤやＣＭＯＳセンサからなり、この図１においては、撮像素子１２を一例としてＣＣＤとして記載する。

アナログフロントエンド部１３は、タイミングジェネレータ１３１、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ１３２と、を有し、タイミングジェネレータ１３１では、撮像素子１２のＣＣＤの駆動タイミングを生成し、Ａ／Ｄコンバータ１３２は、ＣＣＤから入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換して画像処理装置１４に出力する。

信号処理部の一部を構成する画像処理装置（二次元コンボリューション手段）１４は、前段のＡＦＥ１３からくる撮像画像のデジタル信号を入力し、二次元のコンボリューション処理を施し、後段のカメラ信号処理部（ＤＳＰ）１５に渡して画像処理装置１４、露出制御装置１９の露出情報に応じ、光学的伝達関数（ＯＴＦ）に対してフィルタ処理を行う。なお、露出情報としては絞り情報も含む。また、本実施例では、露出情報に応じて光学的伝達関数（ＯＴＦ）に対してフィルタ処理を行うことを説明したが、ズーム情報、被写体距離情報、撮影モード情報等の情報に応じて行うようにしても良い。以下は、露出情報に応じて行う場合のみを説明する。

画像処理装置１４は、撮像素子１２からの被写体分散画像信号より分散のない画像信号を生成する機能を有する。また、信号処理部１５は、最初のステップでノイズ低減フィルタリングを施す機能を有する。画像処理装置１４の処理については後でさらに詳述する。

カメラ信号処理部（ＤＳＰ）１５は、カラー補間、ホワイトバランス、ＹＣｂＣｒ変換処理、圧縮、ファイリング等の処理を行い、メモリ１６への格納や画像モニタリング装置１７への画像表示等を行う。露出制御装置１９は、露出制御を行うとともに、操作部１８などの操作入力を持ち、それらの入力に応じてシステム全体の動作を決定し、ＡＦＥ１３、画像処理装置１４、ＤＳＰ１５等を制御してシステム全体の制御を司る。

そして光学系１１は、特願２００５−３４４３０９号に於いてはズームレンズの場合を例示しているが、これは例えば図２にその１例を示すように単焦点レンズでも良い。図２は本発明の撮像装置１０に用いる光学系１１の断面図である。この光学系１１は、物体側ＯＢＪＳに配置された通常の球面あるいは非球面で構成された面を有する物体側レンズ１１１と、撮像素子１２に結像させるための結像レンズ１１２と、物体側レンズ１１１と結像レンズ１１２間に配置され、図３に示したように、例えば３次元的曲面を有する位相板（Ｃｕｂｉｃ Ｐｈａｓｅ Ｐｌａｔｅ）の働きをする、光軸中心に対して非対称な自由曲面１１３からなる表面形状の光波面変調素子（波面形成用光学素子：Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ｃｏｄｉｎｇ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）１１４を有し、結像レンズ１１２による撮像素子１２の受光面への結像の波面を変形させる。

なお、光軸中心に対して非対称な自由曲面とは、回転非対称な表面形状を有してレンズの光軸に対して非対称（軸非対称）な面であり、ある位置における光軸に垂直な線の左右に対称な面はあるが、例えば球面又は非球面のような面対称がある面を有してレンズの光軸を単に偏心したものなどは含まれず、光軸中心に対して非対称な面である。また、この光学系１１には、絞りを兼ねるマスク１１５、１１６が設けられ、さらにこれらのレンズ１１１と１１２や光波面変調素子１１４を収容するレンズバレル１１７、これらのレンズを固定するためのリテーナ１１８で構成され、１１９は光軸である。

図３は、本発明になる撮像装置１０の光学系１１における光波面変調素子１１４の断面図である。この光波面変調素子１１４は、前記したはみ出し成形で成形され、図３（Ａ）に周辺を加工する前の状態を示したように１１４２、１１４３が成形時のはみ出し部であり、Ｂで示した１１３の部分は前記した３次元的曲面を有する位相板（Ｃｕｂｉｃ Ｐｈａｓｅ Ｐｌａｔｅ）の働きをする光軸中心に対して非対称な自由曲面で、Ａで示した部分１１４１は、自由曲面１１３周囲を囲繞する光透過域外の光入射側と光出射側に、光軸に中心を有して半径方向に向けて異なる曲率で肉厚が増加または減少するクランプ用曲面としてある。

このように成形された光軸中心に対して非対称な自由曲面１１３を有する光波面変調素子１１４は、光入射側と光出射側に半径方向に向けて異なる曲率で肉厚が増加または減少するクランプ用曲面１１４１を形成してあるから、このクランプ用曲面１１４１でベルクランプして心取りし、図３（Ｂ）に１１４４で示したようにはみ出し部１１４２を削り落とすことが可能であり、光波面変調素子１１４周囲の加工は複雑な装置を用いずとも短時間で簡単に、しかも高精度にコストも抑えて行うことができ、また、図２からもわかるとおり、Ａの部位（クランプ用曲面１１４１）をレンズバレル１１７内で物体側レンズ１１１と結像レンズ１１２で押圧し、保持してバレル１１７に固定するためにも使うことができる。

このようにクランプ用曲面１１４１を設けることで、光軸中心に対して対称な部位を押圧することになり、安定、かつ、正確に保持することができる。なお、本実施例のように、レンズ間で押圧される代わりに、レンズバレル１１７の所定位置に押圧されるようにしても良い。

そして、このように光軸中心に対して非対称な自由曲面１１３を有する光波面変調素子１１４を光学系１１０に用いることで、光学系１１０により収束される光束は規則正しく分散され、撮像素子１２０上ではピントのどこにも合わない画像が実現し、この光波面変調素子１１４によって深度の深い光束（像形成の中心的役割を成す）とフレアー（ボケ部分）が形成される。そのため、この規則的に分散した画像をデジタル処理により、ピントの合った画像に復元する手段を波面収差制御光学系システム（ＷＦＣＯ：Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ｃｏｄｉｎｇ Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）といい、この処理を画像処理装置１４において行う。また、本実施例の光は面変調素子１１４は、円形で光を収集または分散する素子であるため、本発明の円形レンズに含まれるものである。

図４は、このＷＦＣＯの基本原理を説明するための図であり、今、図４に示すように、被写体の画像ｆがＷＦＣＯ光学系Ｈに入ることにより、ｇ画像が生成されると、これは、次のような式で表される。
（数２）
ｇ＝Ｈ＊ｆ
ただし、＊はコンボリューションを表す。

生成された画像ｇから被写体の画像ｆを求めるためには、次の処理を行う。
（数３）
ｆ＝Ｈ^-−１＊ｇ

ここで、Ｈに関するカーネルサイズと演算係数は、特願２００５−３４４３０９号に於いてはズームレンズの場合を例示していて、ズームポジションをＺＰｎ、ＺＰｎ−１・・・とし、また、それぞれのＨ関数をＨｎ、Ｈｎ−１、・・・・とした場合、各々のスポット像が異なるため、各々のＨ関数は、次のようになる。しかし図２に示した単焦点の場合は、Ｈｎだけでよい。
（数４）

この行列の行数および／または列数の違いをカーネルサイズ、各々の数字を演算係数とし、各々のＨ関数はメモリに格納しておいても構わないし、ＰＳＦ（Ｐｏｉｎｔ−Ｓｐｒｅａｄ−Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を物体距離の関数としておき、物体距離によって計算し、Ｈ関数を算出することによって任意の物体距離に対して最適なフィルタを作るように設定できるようにしても構わない。また、Ｈ関数を物体距離の関数として、物体距離によってＨ関数を直接求めても構わない。

そして本実施形態においては、図１に示すように、光学系１１からの像を撮像素子１２で受像して、画像処理装置１４に入力させ、光学系に応じた変換係数を取得して、取得した変換係数をもって撮像素子１２からの分散画像信号より分散のない画像信号を生成するように構成している。

なお、本実施形態において分散とは、前述したように、光軸中心に対して非対称な自由曲面１１３を有する光波面変調素子１１４を光学系１０に挿入することにより、撮像素子１２上ではピントのどこにも合わない画像を形成し、光波面変調素子１１４によって深度の深い光束（像形成の中心的役割を成す）とフレアー（ボケ部分）を形成する現象をいい、像が分散してボケ部分を形成する振る舞いから収差と同様の意味合いが含まれる。したがって、本実施形態においては、収差として説明する場合もある。

次に、画像処理装置１４の構成および処理について説明する。画像処理装置１４は、生（ＲＡＷ）バッファメモリ１４１、コンボリューション演算器１４２、記憶手段としてのカーネルデータ格納ＲＯＭ１４３、およびコンボリューション制御部１４４で構成される。

コンボリューション制御部１４４は、コンボリューション処理のオンオフ、画面サイズ、カーネルデータの入れ替え等の制御を行い、露出制御装置１９により制御される。また、カーネルデータ格納ＲＯＭ１４３には、予め用意されたそれぞれの光学系のＰＳＦにより算出されたコンボリューション用のカーネルデータが格納されており、露出制御装置１９によって露出設定時に決まる露出情報を取得し、コンボリューション制御部１４４を通じてカーネルデータを選択制御する。なお、露出情報には、絞り情報が含まれる。

今、露出情報（ＲＰ）が検出されると、その情報はコンボリューション制御部１４４に供給され、コンボリューション制御部１４４においては、露出情報から、カーネルサイズ、数値演係数がレジスタにセットされる。そして、撮像素子１２で撮像され、ＡＦＥ１３を介して二次元コンボリューション演算部１４２に入力された画像データに対して、レジスタに格納されたデータに基づいてコンボリューション演算が行われ、演算されて変換されたデータがカメラ信号処理部１５に転送される。

このようにして１次画像を形成する光学系１１および撮像素子１２と、１次画像を高精細な最終画像に形成する画像処理装置１４とを有し、画像処理装置１４において、露出制御装置１９からの露出情報に応じて光学的伝達関数（ＯＴＦ）に対してフィルタ処理を行うことから、光学系を簡単化でき、コスト低減を図ることができ、しかもノイズの影響が小さい復元画像を得ることができる。

また、難度が高く、高価でかつ大型化した光学レンズを必要とせずに、かつ、レンズを駆動させること無く、撮影したい物体に対してピントが合い、背景はぼかすといった、いわゆる自然な画像を得ることができる。

また、本実施形態においては、結像レンズ１１２による撮像素子１２０の受光面への結像の波面を変形させる波面形成用光学素子を有する撮像レンズ系１１と、撮像素子１２による１次画像ＦＩＭを受けて、１次画像の空間周波数におけるＭＴＦをいわゆる持ち上げる所定の補正処理等を施して高精細な最終画像ＦＮＬＩＭを形成する画像処理装置１４とを有することから、高精細な画質を得ることが可能となる。また、光学系１１の構成を簡単化でき、製造が容易となり、コスト低減を図ることができる。

なお、光軸中心に対して非対称な自由曲面１１３を有した光波面変調素子（位相板）１１４は、図３に示したような形状のものだけでなく、例えば図５（Ａ）に示したような種々の形態のものが考えられ、それによって図２に示したような単焦点レンズだけでなく、ズームレンズなどで構成することが可能である。

この図５において、（Ａ）は光軸中心に対して非対称な面からなる自由曲面を有した光波面変調素子１１４の他の例であり、（Ｂ）は自由曲面を持たないレンズの例である。このうち、上段の（Ａ）に示す（ａ）と下段（Ｂ）に示す（ｂ）、同様に（ｃ）と（ｄ）、（ｅ）と（ｆ）、（ｇ）と（ｈ）、（ｋ）と（ｍ）、（ｎ）と（ｐ）は、それぞれ同様なレンズにおける自由曲面を有するレンズと有しないレンズをそれぞれ示している。

図中、（Ａ）における２０ａ、２０ｃ、２０ｅ、２０ｇ、２０ｋ、２０ｎはそれぞれのレンズにおける前記したような自由曲面、２１ａ、２１ｃ、２１ｅ、２１ｇ、２１ｋ、２１ｎは通常の球面若しくは非球面からなるレンズ面、２２ａ、２２ｃ、２２ｅ、２２ｇ、２２ｋ、２２ｎは自由曲面２０の周囲を囲繞するクランプ用曲面、２３、２４は自由曲面の範囲を示す線、２５は各レンズの光軸である。また、（Ｂ）における２６ｂ、２６ｄ、２６ｆ、２６ｈ、２６ｍ、２６ｐはそれぞれのレンズにおける光入射側曲面、２７ｂ、２７ｄ、２７、２７ｈ、２７ｍ、２７ｐはそれぞれのレンズにおける光射出側曲面、２８は各レンズの光軸である。また、（Ｂ）におけるＲ付きの数字は、それぞれの曲面における半径を示していて、正・負の符号は、光入射側に対して曲面が凸（正）であるか凹（負）であるかを示している。なお、この図５に示したレンズ曲面や自由曲面はそれぞれ一例であり、ここに示した数値や形状に限定されないことは当然である。

まず（ａ）と（ｂ）に示したレンズは、光入射側も出射側も曲面が凸（正）であるレンズで全体として凸レンズを構成し、（ｃ）と（ｄ）のレンズも光入射側と出射側の曲面が凸（正）ではあるが、全体として凹レンズを構成している。（ｅ）と（ｆ）のレンズは、光入射側が凹（負）で出射側が凸（正）と逆のの曲面を有して全体として凹レンズを構成し、（ｇ）と（ｈ）のレンズは光入射側が凸（正）で出射側が凹（負）と（ｅ）と（ｆ）の場合と同様逆の曲面を有してはいるが、全体として凸レンズを構成している。（ｋ）と（ｍ）のレンズは光入射側も出射側も曲面が凹（負）であるレンズで全体として凸レンズを構成し、（ｎ）と（ｐ）のレンズも光入射側と出射側の曲面が凹（負）ではあるが、全体として凹レンズを構成している。

この図５（Ａ）に示した自由曲面２０ａ、２０ｃ、２０ｅ、２０ｇ、２０ｋ、２０ｎは、前記した回転非対称な表面形状ではあるが、（Ｂ）に示した通常の球面若しくは非球面からなるレンズ面の図と比較してみれば明らかなように、通常の面との差異は小さなものである。しかしこれらの自由曲面は、前記したように光軸に対して非対称であると共に光軸中心に対して非対称であり、かつ、半径方向の厚みが異なるから、ベルクランプによる心取りはできない。

そのため各レンズには、２２ａ、２２ｃ、２２ｅ、２２ｇ、２２ｋ、２２ｎで示したクランプ用曲面が設けられ、このクランプ面と、相対する光射出側の曲面２１ａ、２１ｃ、２１ｅ、２１ｇ、２１ｋ、２１ｎとの半径方向の厚さは、増加または減少するよう設けられているが、ベルクランプのためには図２（Ａ）において（ｅ）、（ｇ）のようにそれぞれの曲面が負と正、または正と負のように、逆方向の曲率であると容易である。それに対し、（ａ）、（ｃ）、（ｋ）、（ｎ）のように正と正、負と負のように同方向の曲率の場合は負と正、または正と負のような逆方向の曲率の場合に比較して心取りに時間が掛かかり、また、（ｃ）のように一面が光軸２５に対して垂直あるいは垂直に近い場合、対面する面の曲率を大きくしないと心取りが困難になる。

また、図２（Ａ）の（ｅ）、（ｎ）のように、クランプ用曲面２２と光射出側の曲面とで凹レンズが形成されている場合、レンズに入射してきた周辺の光を更にレンズ外周に屈折させることができ、外乱光によるゴーストやフレアを軽減することができると共に、円形レンズを鏡筒などに固定する際、固定側（コバ面）が広くなるから心出しが容易になると共に固定を確実に行えるレンズとすることができる。

すなわち、図６に示したように、通常の球面または非球面からなる光学面６１に対して前記した自由曲面６２を有し、この自由曲面６２の周囲を囲繞するクランプ用曲面６７を光軸中心から対称な形状にすることで、クランプ用曲面を自由曲面の基準Ｒより大きくすることになり、周辺部の有害光を減らすことができると共に、コバ面を厚く取ることができ、レンズの組み込み精度を向上させることができる。

このようにクランプ用曲面の取り方により、光学面の曲率との差を大きく取れば心取り精度が向上し、コバ面を厚く取るようにすれば組み込み精度が向上し、肉厚を薄くなるようにすれば体積が減ってコストダウンすることになり、目的に応じてクランプ用曲面の形状を選択するとより効果的である。なお、加圧成形により円形レンズを成形するため、自由曲面の平均Ｒ（曲率）と正負を一致させた方が無理のない成形とすることができる。

また、自由曲面６２がベルクランプする面より凸になるようにし、立ち上がり面をマスクや墨塗り等によって反射を無くすことで、段差による反射を無くすことができる。
ベルクランプ法においては、光入射側と光出射側の両面の曲率（Ｒ）が同じまたは略同じ場合、心取り精度が悪くなるが、そのようなレンズにおいても光透過領域外に本発明のクランプ用曲面を形成することで、周辺部で安定してベルクランプすることが可能となる。

このように、撮像装置における光波面変調素子１１４として、自由曲面１１３と、この自由曲面１１３周囲を囲繞して半径方向に向けて異なる曲率で肉厚が増加または減少するクランプ用曲面を形成したレンズとすることで、このクランプ用曲面の部位をクランプすれば前記したベルクランプ法でレンズを加工することができ、例え光透過域が自由曲面１１３であっても正確に心取りをすることが可能となるから、レンズ周囲の加工は複雑な装置を用いずとも短時間で簡単に、しかも高精度にコストも抑えて製造することができる。従って、撮像装置１０そのものを精度良く、安価に構成することができる。

本発明によれば、自由曲面１１３を有する光波面変調素子１１４を高精度にコストも抑えて製造することができ、コストを低減すると共にノイズの影響が小さい復元画像を得ることができる撮像装置を提供することができる。

本発明になる撮像装置１０の一実施形態を示すブロック構成図である。 本発明になる撮像装置１０に用いる光学系１１の断面図である。 本発明になる撮像装置１０の光学系１１における光波面変調素子１１４の断面図で、（Ａ）に周辺を加工する前の状態を、（Ｂ）に周辺を加工した後の状態を示している。 波面収差制御光学系システム（ＷＦＣＯ：Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ｃｏｄｉｎｇ Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）を説明するための図である。 （Ａ）は光軸中心に対して非対称な面からなる自由曲面を有した光波面変調素子１１４の他の例であり、（Ｂ）は自由曲面を持たないレンズの例である。 本発明になる円形レンズにおける対物側に形成したクランプ用曲面を凹とし、周辺の有害光を減らせるようにした場合の例を示した図である。 ベルクランプによる心取り方法を説明するための図である。

符号の説明

１０ 撮像装置
１１ 光学系
１１１、１１２ レンズ
１１３ 光軸中心に対して非対称な自由曲面
１１４ 光波面変調素子（位相板）
１１４１ 半径方向に向けて異なる曲率で肉厚が増加または減少する曲面
１１４２、１１４３ はみ出し部
１１５、１１６ マスク
１１７ レンズバレル
１１８ リテーナ
１１９ 光軸
１２ 撮像素子
１３ アナログフロントエンド部（ＡＦＥ）
１４ 画像処理装置
１５ カメラ信号処理部
１６ 画像表示メモリ
１７ 画像モニタリング装置
１８ 操作部
１９ 露出制御装置

Claims (9)

1. 光透過域を形成する光軸中心に対して非対称な面からなる自由曲面と、
   該自由曲面周囲を囲繞する前記光透過域外に、光軸中心から対称の曲面を有するクランプ用曲面を有することを特徴とする円形レンズ。
2. 前記クランプ用曲面は、光入射側と光出射側で異なる曲率で肉厚が増加または減少することを特徴とする請求項１に記載した円形レンズ。
3. 前記自由曲面が対物側にある場合、前記自由曲面周囲に形成したクランプ用曲面を凹レンズとしたことを特徴とする請求項１または２に記載した円形レンズ。
4. 前記円形レンズがガラス成形レンズであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載した円形レンズ。
5. 光透過域を形成する光軸中心に対して非対称な面からなる自由曲面と、該自由曲面周囲を囲繞する前記光透過域外に光軸中心から対称の曲面を有するクランプ用曲面を有する円形レンズを、レンズバレル内で前記対称曲面を押圧して保持することを特徴とするレンズバレル。
6. 光学系と、
   該光学系に備えた少なくとも一つの光波面変調素子と、
   前記光学系および光波面変調素子を通過した被写体分散像を撮像する撮像素子と、
   前記撮像素子からの被写体分散画像信号から分散のない画像信号を生成する変換手段と、を備えた撮像装置において、
   前記光波面変調素子として光軸中心に対して非対称な面からなる自由曲面を光透過域に有し、該自由曲面周囲を囲繞して光軸中心から対称な曲面を有するクランプ用曲面を形成した円形レンズとしたことを特徴とする撮像装置。
7. 前記クランプ用曲面は、光入射側と光出射側とで異なる曲率で肉厚が増加または減少することを特徴とする請求項６に記載した撮像装置。
8. 前記自由曲面が対物側にある場合、前記自由曲面周囲に形成したクランプ用曲面を凹レンズとしたことを特徴とする請求項６または７に記載した撮像装置。
9. 前記円形レンズがガラス成形レンズであることを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載した撮像装置円形レンズ。