JP2008249909A

JP2008249909A - 撮像装置及び光学系

Info

Publication number: JP2008249909A
Application number: JP2007089823A
Authority: JP
Inventors: Shuji Ono; 修司小野; Yoshihiro Nishihata; 純弘西畑
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2008-10-16

Abstract

【課題】焦点深度が広くかつ低コストな撮像装置を提供することができる。
【解決手段】光を結像する光学系と、光学系が結像した光を受光する受光部とを備える撮像装置であって、光学系による光の結像面は湾曲しており、光学系の光軸と結像面との交点からの光軸方向へのずれ量に対する光学系のＭＴＦ値の依存性は、予め定められた像高の範囲にわたって略同一であり、光学系のＭＴＦ値は、予め定められたずれ量の範囲にわたって予め定められた値以上である。
【選択図】図２

Description

本発明は、撮像装置及び光学系に関する。特に本発明は、被写体の画像を撮像する撮像装置及び当該撮像装置用の光学系に関する。

光学伝達関数を焦点位置からある程度の範囲内で本質的に一定にする光学マスクが知られている（例えば、特許文献１及び２参照。）。また、受光素子と、検出対象物からの反射光を集光するための受光レンズと、受光レンズと受光素子の間に配置されたファイバフェイスプレートとを備えた光検出器であって、ファイバフェイスプレートの受光レンズと対向する側の端面を、受光レンズによって生成される検出対象物の結像面の湾曲に一致させた曲面形状に成形し、ファイバフェイスプレートの受光素子側の端面を受光素子の表面に取り付けた光検出器が知られている（例えば、特許文献３参照。）。
米国特許第５７４８３７１号明細書米国特許出願公開第２００２／０１１８４５７号明細書特開平１０−２２３９１６号公報

上記特許文献１及び２に記載の光学マスクによると、光学系の光学特性が光軸に関して非対称である。このため、得られた画像に復元処理を加えなければ、被写体が何であるかが分からなくなる虞がある。また、特許文献１及び２に記載の光学マスクを使用したカメラを検査する場合には、光学マスクと他の光学系をきちんとアライメントしてから検査しなければならない。このように、上記特許文献１及び２に記載の光学マスクを利用するカメラでは光学マスクの取り扱いが複雑になる。また、特許文献３に記載の光検出器によると集光素子の軸外収差の影響が低減することができるが、広い焦点深度で撮像することはできない。

そこで本発明は、上記課題を解決することができる撮像装置及び光学系を提供することを目的とする。この目的は特許請求の範囲における独立項に記載の特徴の組み合わせにより達成される。また従属項は本発明の更なる有利な具体例を規定する。

上記課題を解決するために、本発明の第１の形態によると、光を結像する光学系と、光学系が結像した光を受光する受光部とを備える撮像装置であって、光学系による光の結像面は湾曲しており、光学系の光軸と結像面との交点からの光軸方向へのずれ量に対する光学系のＭＴＦ値の依存性は、予め定められた像高の範囲にわたって略同一であり、光学系のＭＴＦ値は、予め定められたずれ量の範囲にわたって予め定められた値以上である。

結像面は周部において光軸と結像面との交点から光軸の方向に湾曲しており、受光部が光を受光する受光面は、光軸と結像面との交点から光軸の方向にずれた位置における、光軸と結像面との交点の近傍に設けられてよい。

本発明の第２の形態によると、光を結像する光学系であって、光学系による光の結像面は湾曲しており、光学系の光軸と結像面との交点からの光軸方向へのずれ量に対する光学系のＭＴＦ値の依存性は、予め定められた像高の範囲にわたって略同一であり、光学系のＭＴＦ値は、予め定められたずれ量の範囲にわたって予め定められた値以上である。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本発明によれば、焦点深度が広くかつ低コストな撮像装置を提供することができる。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、一実施形態に係る撮像装置１００の構成の一例を示す。撮像装置１００は、光を結像する光学系１１０、光学系１１０が結像した光を受光する受光部１２０、画像生成部１３０、画像補正部１４０、及び表示部１５０を備える。撮像装置１００は、被写体の像を撮像して画像を生成する。光学系１１０の光学特性については図２に関連して定性的に説明する。

受光部１２０は、２次元的に配置された複数の受光素子を有する。画像生成部１３０は、複数の受光素子がそれぞれ受光した受光量をＡ／Ｄ変換することによって、被写体の画像を生成する。そして、画像補正部１４０は、Ａ／Ｄ変換された受光量の値、各受光素子の位置、及び光学系１１０の光学的伝達関数に基づいて、画像生成部１３０が生成した画像を補正する。そして、表示部１５０は、画像補正部１４０が補正した画像を表示する。なお、表示部１５０は、画像生成部１３０が生成した画像も表示する。なお、表示部１５０は、撮像装置１００が撮像した画像をユーザに閲覧させるディスプレイデバイスであってよい。

図２は、光学系１１０の光学特性の一例を模式的に示す。図示されるように、主光線２２０及び２３０で示される光の焦点位置は、主光線２１０で示される光の焦点位置より光軸方向に光学系１１０側に倒れている。このように、光学系１１０による光の結像面２００は湾曲している。

結像面２００は、周部において光軸と結像面との交点から光軸の方向に湾曲している。なお、受光部１２０が光を受光する受光面２５０は、光軸と結像面との交点から光軸の方向にずれた位置における、光軸と結像面との交点の近傍に設けられてよい。具体的には、結像面２００は周部において結像面と光軸との交点から光学系１１０側に湾曲している。受光面２５０は、結像面と光軸との交点より光学系１１０側における、結像面と光軸との交点の近傍に設けられてよい。なお、結像面２００は、予め定められた略球面状である。

なお、光学系１１０による光学的伝達関数は、結像面２００からの光軸方向の所定のずれ量の範囲で略同一であってよい。また、光学系１１０による光学的伝達関数は、結像面２００と光軸との交点からの結像面２００の倒れ量の大きさと略同一の大きさのずれ量の範囲で、略同一であってよい。

なお、受光部１２０は、複数の受光素子によって略平面状の受光面２５０が形成される。受光部１２０の受光面２５０は、光学系１１０の光軸に略垂直に設けられる。なお、受光素子はＣＣＤ撮像素子であってよいし及びＭＯＳ型撮像素子であってもよい。

以上、図２を用いて光学系１１０の光学特性を定性的に説明した。なお、図２に示した光学系１１０及び受光部１２０の模式図は、光学系１１０の光学特性を理解し易くすることを目的として作図したものであり、実スケールに従って作図されたものではないことに注意すべきである。

図３は、光学系１１０の構造の一例を示す。光学系１１０は、複数の光学素子３１０及び３３０、並びに絞り３２０を有する。なお、本図には、３本の主光線３００、３０１、及び３０２が光学系１１０に重ねて描かれている。なお、以後の図４及び５には、主光線３００、３０１、及び３０２で示される波長０．５８７６ｎｍの光に対する光学系１１０の光学特性が示される。以下に、光学素子３１０及び３３０の光学データについて説明する。

光学素子３１０は、屈折率が１．４８６５６１０８であり、厚さが１．７３１５６ｍｍである。また、光学素子３１０の物体側の曲率及び直径はそれぞれ５．９１５４３４ｍｍ及び５．７１１４４９ｍｍであり、像面３４０側の曲率及び直径はそれぞれ９．０２７０２１ｍｍ及び４．７７４３１３ｍｍである。なお、ここでいう厚さとは、光学素子の光軸方向の長さを示す。

絞り３２０は、光学素子３１０から像面３４０側に光軸方向に距離１．５５５５５４ｍｍだけ離されて設けられ、直径は３．４３９８８７ｍｍである。光学素子３３０は、絞り３２０から像面３４０側に光軸方向に距離０．５３８６８８ｍｍ離れて設けられる。光学素子３３０は、屈折率が１．６７２７０７０４であり、厚さが４．９５９７２６ｍｍである。また、光学素子３３０の物体側の曲率及び直径はそれぞれ２４．４８０１６ｍｍ及び３．５３５７５７ｍｍであり、像面３４０側の曲率及び直径はそれぞれ−１１．５５７４７ｍｍ及び５．３００７８３ｍｍである。また、像面３４０は、光学素子３３０から距離６．９９９９９７ｍｍ離れた位置にある。像面３４０の曲率及び直径はそれぞれ−１４．８１７５６ｍｍ及び７．１０５９７１ｍｍである。

図４は、光学系１１０のＭＴＦ特性を示す。本図のＭＴＦ図では、横軸が結像面３４０からの光軸方向のデフォーカス量を示し、縦軸がＭＴＦ値を示す。また、図５は、光学系１１０によるスポットダイアグラムの一例を示す。図４におけるＭＴＦ特性及び図５のスポットダイアグラムは、空間周波数が５０本／ｍｍの像について得られたものである。

図４を参照すると、光学系１１０は、複数の像高についても、サジタル光線及びメリジオナル光線についても、略同一のＭＴＦ値の分布を持つことが分かる。このように、光学系１１０の光軸と結像面３４０との交点からの光軸方向へのずれ量に対する光学系１１０のＭＴＦ値の依存性は、予め定められた像高の範囲にわたって略同一である。また、光学系１１０のＭＴＦ値は、予め定められたずれ量の範囲にわたって予め定められた値以上（例えば、０．２以上）である。

このようなＭＴＦ特性は、複数の像高にわたってＭＴＦ値が略同一となる条件を課して設計する設計方法によって得られる。具体的には、予め定められた形状の結像面３４０を指定する。例えば、略曲面状の結像面３４０を指定する。そして、光学系１１０の各光学素子のパラメータを変化させながら各像高の光線について、複数のずれ量での結像面３４０におけるＭＴＦ値を算出する。そして、算出したＭＴＦ値と誤差が予め定められた値より小さくなるまで、各光学素子のパラメータを変化させる。このように光学系１１０に像面湾曲を許容することで、非常に簡素なレンズ構成の光学系１１０を得ることができる。このため、低コストな光学系１１０で撮像装置１００を構成することができる。

また、図５には、光学系１１０によるスポットダイアグラムを、デフォーカス量について横方向に、像高について縦方向に並べたものが示されている。図５を参照しても、デフォーカス量が一定であれば、複数の像高に対してスポットダイアグラムは略同一の広がりを示すことが分かる。このように、光学系１１０の光学的伝達関数は、所定の像高の範囲にわたって略同一である。したがって、画像補正部１４０は、光学系１１０を通過して受光部１２０が受光した光から得られた画像を、受光部１２０の位置に応じた所定の逆フィルタによって容易に復元することができる。なお、図２において示した結像面２４０は、本図で説明する結像面３４０を模式的に示したものであってよい。

図６は、点光源に対する光学系１１０の応答及び受光部１２０が有する受光素子の配列の一例を示す。既に説明したように、光学系１１０は、複数の像高について略同一の広がりを有する。したがって、受光部１２０の位置が所定のデフォーカス量の範囲内にあれば、図示したように点光源に対する光学系１１０の応答の半値幅δ０、δ１、及びδ２を略同一とすることができる。

なお、受光部１２０は、複数の受光素子７０１〜７０４、７１１〜７１４、７２１〜７２４、・・・を有する。受光部１２０の受光素子は、ｘ方向にＰｘ、ｙ方向にＰｙのピッチで等間隔で配列されている。この場合、応答の半値幅δ０、δ１、及びδ２が画素ピッチＰｘ及びＰｙより大きくなる旨の制限を光学系１１０の設計時に課してよい。

なお、撮像装置１００がカラー画像を撮像する場合、隣接する受光素子が異なる色の波長の光を受光する場合がある。この場合、画素ピッチとは、同じ色を示す波長の光を受光する受光素子間の距離であってよい。例えば、受光素子７０１、７０３、７１２、７１４、７２１、及び７２３が緑色を示す波長の光を受光し、受光素子７０２、７０４、７２２、及び７２４が青色を示す波長の光を受光し、受光素子７１１及び７１３が赤色を示す波長の光を受光する場合、画素ピッチとは、ｙ方向に受光素子７０１の中心位置と受光素子７２１の中心位置との間の距離であり、ｘ方向に受光素子７０１の中心位置と受光素子７０３の中心位置との間の距離であってよい。

なお、画像補正部１４０は、受光部１２０が受光した受光量に応じて得られる画像を、光学系１１０の光学的伝達関数に基づいて補正する。具体的には、画像補正部１４０は、画像生成部１３０が生成した画像に対して、光学系１１０の光学的伝達関数の強度分布を合焦時の光学的伝達関数の強度分布と略同一にする逆フィルタによる復元処理を施す。

なお、表示部１５０は、受光部１２０が受光した受光量に応じて得られる画像を表示してもよい。具体的には、表示部１５０は、画像生成部１３０が生成した画像を表示する。なお、表示部１５０は、表示部１５０の画素数が光学系１１０の受光素子の数に比べて少ない場合、画像生成部１３０が生成した画像を空間的に平均化することなく、画素を間引いて表示してよい。また、撮像装置１００は、光学系１１０の焦点距離を変化させる焦点制御装置を有さず、光学系１１０の焦点距離は固定であってよい。また、撮像装置１００は、被写体からの光を空間的に分散させる光学ローパスフィルタを有さなくてよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加え得ることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

撮像装置１００の構成の一例を示す図である。光学系１１０の光学特性の一例を模式的に示す図である。光学系１１０の構造の一例を示す図である。光学系１１０のＭＴＦ特性を示す図である。光学系１１０によるスポットダイアグラムを示す図である。点光源に対する光学系１１０の応答を示す図である。

符号の説明

１００撮像装置
１１０光学系
１２０受光部
１３０画像生成部
１４０画像補正部
１５０表示部

Claims

光を結像する光学系と、前記光学系が結像した光を受光する受光部とを備える撮像装置であって、
前記光学系による光の結像面は湾曲しており、前記光学系の光軸と前記結像面との交点からの光軸方向へのずれ量に対する前記光学系のＭＴＦ値の依存性は、予め定められた像高の範囲にわたって略同一であり、前記光学系のＭＴＦ値は、予め定められた前記ずれ量の範囲にわたって予め定められた値以上である撮像装置。
前記結像面は周部において前記光軸と前記結像面との交点から前記光軸の方向に湾曲しており、
前記受光部が光を受光する受光面は、前記光軸と前記結像面との交点から前記光軸の方向にずれた位置における、前記光軸と前記結像面との交点の近傍に設けられる
請求項１に記載の撮像装置。
前記結像面は周部において前記結像面と前記光軸との交点から前記光学系の側に湾曲しており、
前記受光面は、前記結像面と前記光軸との交点より前記光学系側における、前記結像面と前記光軸との交点の近傍に設けられる
請求項２に記載の撮像装置。
前記結像面は、予め定められた略球面状である
請求項３に記載の撮像装置。
前記受光面は前記光学系の光軸に略垂直である
請求項３に記載の撮像装置。
前記受光部が受光した受光量に応じて得られる被写体の画像を、前記受光面の位置における前記光学系の光学伝達関数に基づいて補正する画像補正部
をさらに備える請求項５に記載の撮像装置。
前記受光部が受光した受光量に応じて得られる被写体の画像を表示する表示部
をさらに備える請求項５に記載の撮像装置。
光を結像する光学系であって、
前記光学系による光の結像面は湾曲しており、前記光学系の光軸と前記結像面との交点からの光軸方向へのずれ量に対する前記光学系のＭＴＦ値の依存性は、予め定められた像高の範囲にわたって略同一であり、前記光学系のＭＴＦ値は、予め定められた前記ずれ量の範囲にわたって予め定められた値以上である光学系。