JP2015102767A - Imaging system, and phase plate - Google Patents
Imaging system, and phase plate Download PDFInfo
- Publication number
- JP2015102767A JP2015102767A JP2013244407A JP2013244407A JP2015102767A JP 2015102767 A JP2015102767 A JP 2015102767A JP 2013244407 A JP2013244407 A JP 2013244407A JP 2013244407 A JP2013244407 A JP 2013244407A JP 2015102767 A JP2015102767 A JP 2015102767A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- imaging
- optical system
- imaging optical
- image
- aspherical
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Lenses (AREA)
Abstract
Description
この発明は撮像システムおよび位相板に関する。 The present invention relates to an imaging system and a phase plate.
撮像対象物の像を結像光学系によりCCDやCMOS等の撮像素子の受光面上に結像させて読み取る「撮像システム」が、種々実用化されている。 Various “imaging systems” have been put into practical use, in which an image of an object to be imaged is imaged on a light receiving surface of an image sensor such as a CCD or CMOS by an imaging optical system.
例えば「商品等に付加されたバーコード」を読み取るバーコードリーダや、撮像対象物として「被検査物」の検査部位を読み取って処理する検査システム等である。 For example, a barcode reader that reads “a barcode added to a product”, an inspection system that reads and processes an inspection part of an “inspection object” as an imaging object, and the like.
これらの撮像システムの結像光学系には「被写界深度が大きい」ことが求められる。
「被写界深度が深い」ことは、適正な画像を撮像できる「物体距離の範囲」が大きいことを意味する。
The imaging optical system of these imaging systems is required to have a “large depth of field”.
“Deep depth of field” means that the “range of object distance” capable of capturing an appropriate image is large.
「適正な画像を撮像可能な物体距離」の範囲が大きければ、例えば、バーコードの位置が適正な物体距離から「少々ずれても」良好なバーコード像を読み取ることができる。 If the range of “object distance at which a proper image can be captured” is large, for example, a good barcode image can be read even if the position of the barcode is “slightly shifted” from the proper object distance.
また、被写界深度の深い結像光学系を用いれば、例えば、被検査物の「広い検査領域のピントのあった画像」を取得できる。 Further, if an imaging optical system having a deep depth of field is used, for example, an “in-focus image of a wide inspection area” of the inspection object can be acquired.
近来、撮像システムに用いる結像光学系に、波面変調素子である位相板を付加して「意図的に球面収差を増大」させることが提案されている(特許文献1、2等)。
Recently, it has been proposed to intentionally increase spherical aberration by adding a phase plate, which is a wavefront modulation element, to an imaging optical system used in an imaging system (
即ち、結像光学系の球面収差を、位相板の付加により意図的に増大させ、結像光束を規則的に分散させて、球面収差の大きい「ぼけた画像」を結像させて読み取る。 That is, the spherical aberration of the imaging optical system is intentionally increased by adding a phase plate, the imaging light beam is regularly dispersed, and a “blurred image” with large spherical aberration is formed and read.
そして、読み取った画像に対して、デジタル処理を行って「撮像対象物の良好な画像」を復元するのである。 Then, the read image is digitally processed to restore a “good image of the imaging target”.
このように結像光学系の球面収差の増大と、デジタル処理による画像の復元とによって、撮像対象物の撮像における「被写界深度」を拡大させることができる。 Thus, by increasing the spherical aberration of the imaging optical system and restoring the image by digital processing, the “depth of field” in imaging of the imaging object can be expanded.
この発明は、位相板による結像光学系の球面収差の増大と、撮像された画像に対してデジタル処理による画像復元を行う新規な撮像システムの実現を課題とする。 An object of the present invention is to increase the spherical aberration of an imaging optical system using a phase plate, and to realize a novel imaging system that performs image restoration by digital processing on a captured image.
この発明の撮像システムは、撮像対象物を撮像する撮像光学系と、該撮像光学系による前記撮像対象物の像を撮像する撮像素子と、該撮像素子から出力される画像データに対する画像処理を行う画像処理部と、を有する撮像システムにおいて、撮像光学系は、撮像対象物を結像する結像光学系と、該結像光学系内に付加されて、焦点深度を拡大するために、前記結像光学系の球面収差を増大する位相板を有し、前記画像処理部は、前記撮像光学系により撮像された、球面収差が増大した画像に対して復元処理を行うものであり、前記位相板は、一方の面が平面で、他方の面が、前記結像光学系の光軸に対する回転対称で非球面形状の位相変調面を有し、前記位相変調面の非球面形状は、非球面量:Z、回転対称軸からの距離:h、正規化基準円半径:H、n次の非球面係数:anにより、式:
Z=Σan(|h/H|)n (和はnについて、n=2からn=Nまで取る)
により表される非球面形状において、
Z―a2(|h/H|)2
が、h=0から外周側へ向かって単調変化し、最外周の半径:hmに対し、h=0から0.75hmの位置の非球面量:Z0.75と、h=0における非球面量:Z0との比が、条件:(1) 0.55≦Z0.75/Z0≦0.67
を満足することを特徴とする。
An imaging system of the present invention performs an image processing on an imaging optical system that captures an image of an imaging target, an imaging element that captures an image of the imaging target by the imaging optical system, and image data output from the imaging element. In the imaging system having the image processing unit, the imaging optical system is added to the imaging optical system that forms an image of the object to be imaged, and is added to the imaging optical system to increase the depth of focus. A phase plate that increases spherical aberration of an image optical system, and the image processing unit performs a restoration process on an image captured by the imaging optical system and having increased spherical aberration; Has one surface that is a plane and the other surface is a rotationally symmetric and aspherical phase modulation surface with respect to the optical axis of the imaging optical system, and the aspheric shape of the phase modulation surface is an aspherical amount. : Z, distance from rotational symmetry axis: h, normalization standard Radius: H, n order aspheric coefficients: by a n, wherein:
Z = Σa n (| h / H |) n (sum takes n = 2 to n = N for n)
In the aspheric shape represented by
Z-a 2 (| h / H |) 2
But, from the h = 0 to the outer peripheral side monotonously changes, the outermost radius to h m, aspherical amount of the position of 0.75 h m from h = 0: and Z 0.75, the h = 0 Aspheric amount: Ratio with Z 0 is the condition: (1) 0.55 ≦ Z 0.75 / Z 0 ≦ 0.67
It is characterized by satisfying.
この発明によれば、位相板による結像光学系の球面収差の増大と、撮像された画像に対してデジタル処理による画像復元を行う新規な撮像システムを実現できる。 According to the present invention, it is possible to realize a novel imaging system that increases the spherical aberration of the imaging optical system by the phase plate and restores the captured image by digital processing.
以下、実施の形態を説明する。
図1は、撮像システムを説明する概念図である。
Hereinafter, embodiments will be described.
FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating an imaging system.
図1において、符号201は「撮像対象物」、符号202は「結像光学系」、符号203は「位相板」、符号204は「結像光学系の開口絞り」を示す。
In FIG. 1,
また、符号205は「撮像素子」、符号206は「画像処理部」を示す。
以下、撮像対象物201を「被写体201」ともいう。開口絞り204を有する結像光学系202と位相板203は「撮像光学系」を構成する。
Hereinafter, the
被写体201は、前述の「被検査物」を初め、種々のものであり得るが、以下では説明の具体性のため「バーコードや2次元コードを付された商品等の物品」を想定する。 The subject 201 may be various ones such as the “inspection object” described above, but “articles such as products with barcodes or two-dimensional codes” are assumed below for the sake of concreteness of explanation.
従って、物品に付せられたバーコードや2次元コードが「撮像の対象となる画像」である。以下、これを「撮像対象画像」という。 Therefore, the barcode or two-dimensional code attached to the article is an “image to be imaged”. Hereinafter, this is referred to as “image to be captured”.
結像光学系202は、複数枚のレンズと開口絞りとを有してなる。結像光学系202は、それ自体として収差を良好に補正されている。
The imaging
位相板203は、この例においては、開口絞り204の物体側に、開口絞りに近接して配置され、結像光学系202とともに「撮像光学系」を構成する。
In this example, the
位相板203は「被写界深度を拡大させるための収差」を発生させるためのものであり、結像光束を規則的に拡散させる。
The
即ち、撮像素子205の受光面上における点像分布関数(PSF)を「2画素以上に跨る」ように拡散させる。
In other words, the point spread function (PSF) on the light receiving surface of the
「撮像光学系」により、被写体201の撮像対象画像の像を撮像素子205の受光面上に結像させる。結像する像は、位相板203により収差を増大されたものとなっている。
An image of the imaging target image of the subject 201 is formed on the light receiving surface of the
増大された収差は、具体的には「球面収差」である。 The increased aberration is specifically “spherical aberration”.
結像光学系202は、前述の如く「それ自体の収差」は良好に補正されており、位相板203を除いた状態では、通常の光学系として使用可能である。
As described above, the imaging
説明中の実施の形態では、位相板203は、結像光学系202に対して着脱可能となっている。
In the embodiment being described, the
撮像素子205としては、CCDやCMOSセンサ等の一般的な固体撮像素子を用いることができる。
As the
撮像素子205からは、撮像した画像の「画像データ」が出力され、出力された画像データは画像処理部206に入力する。
The
画像処理部206では「位相板203の挿入により拡散されたPSF」を復元するデジタル処理(以下、「復元処理」と言う。)を行う。
The image processing unit 206 performs digital processing for restoring “PSF diffused by inserting the
画像処理部206は、例えば、コンピュータを用いることができ、その場合、復元処理はソフトウエアによるプログラム処理として実行できる。 For example, a computer can be used as the image processing unit 206. In this case, the restoration process can be executed as a program process by software.
あるいはまた、画像処理部206を、処理プログラムを書き込んだFPGAを用いてハードウエアとして構成してもよい。 Alternatively, the image processing unit 206 may be configured as hardware using an FPGA in which a processing program is written.
画像処理部206で復元処理を受けた画像は「画像出力」となる。
画像出力は、図示されないディスプレイに表示されたり、プリントされたり、コンピュータ等で処理されたりする。
The image subjected to the restoration process by the image processing unit 206 is “image output”.
The image output is displayed on a display (not shown), printed, or processed by a computer or the like.
以下、具体例に即して説明する。
図2は、結像光学系202のレンズ構成を示す。この図は「結像光学系」を示すものであるから、位相板203は装着されていない。
Hereinafter, a description will be given according to a specific example.
FIG. 2 shows a lens configuration of the imaging
図2に示すように、結像光学系は「6枚のレンズ」で構成されている。図の左方が物体側、右方が像側である。 As shown in FIG. 2, the imaging optical system is composed of “six lenses”. The left side of the figure is the object side, and the right side is the image side.
結像光学系は、物体側から像側へ向かって順に、レンズL1、L2、L3、開口絞りS、レンズL4、L5、L6を配してなっている。 The imaging optical system includes lenses L1, L2, and L3, an aperture stop S, and lenses L4, L5, and L6 in order from the object side to the image side.
開口絞りSは、図1においては符号204で示したものに相当する。
The aperture stop S corresponds to that indicated by
図1における符号ISは像面を示す。 The symbol IS in FIG. 1 indicates the image plane.
図1に示す結像光学系のデータを表1に示す。 Table 1 shows data of the imaging optical system shown in FIG.
表1の表記において、「Type」とあるのはレンズの形態で、「STANDARD」は、当該レンズが「通常の球面レンズ」であることを意味する。 In Table 1, “Type” means a lens form, and “STANDARD” means that the lens is a “normal spherical lens”.
「Curvature」は「曲率」、「Thickness」は「面間隔」、「Glass」は「硝材」を意味する。「Semi-Diameter」は「有効半径」を意味する。 “Curvature” means “curvature”, “Thickness” means “surface spacing”, and “Glass” means “glass”. “Semi-Diameter” means “effective radius”.
また、上記表記で、例えば、「8.21E-02」とあるのは「8.21×10-2」を意味する。
表1において最も左の欄は、物体側から数えた「面番号」である。
In the above notation, for example, “8.21E-02” means “8.21 × 10 −2 ”.
The leftmost column in Table 1 is “surface number” counted from the object side.
以下においても、これらの表記については同様である。 In the following, these notations are the same.
表1にデータを示した結像光学系は、6枚の球面レンズL1〜L6と開口絞りSにより構成されている。以下、表1に示すデータを有する結像光学系を「具体例」と称する。 The imaging optical system whose data is shown in Table 1 includes six spherical lenses L1 to L6 and an aperture stop S. Hereinafter, the imaging optical system having the data shown in Table 1 is referred to as a “specific example”.
物体側から数えて、第7面が開口絞りSの面になっている。 The seventh surface is the surface of the aperture stop S as counted from the object side.
結像光学系の具体例において、被写体距離が「レンズL1から400mm」であるときの横収差図を図3に、縦収差図(球面収差)を図4に示す。 In a specific example of the imaging optical system, FIG. 3 shows a lateral aberration diagram and FIG. 4 shows a longitudinal aberration diagram (spherical aberration) when the object distance is “from the lens L1 to 400 mm”.
図5には、このときの「像面湾曲(左図)とディストーション(右図)」の図を示す。これらの図から明らかなように、各収差は十分に抑えられ、結像性能は良好である。 FIG. 5 shows a diagram of “field curvature (left diagram) and distortion (right diagram)” at this time. As is apparent from these figures, each aberration is sufficiently suppressed, and the imaging performance is good.
また、具体例において、被写体距離が「レンズL1から370mm、400mm、430mm」であるときのMTFを図6、図7、図8に示す。
これらの図6ないし図8において、縦軸がMTF、横軸は空間周波数である。
また「S」はサジタル、「T」はタンジェンシアルを表す。「S、T」の右に記された数値は「像高」である。
In a specific example, FIGS. 6, 7, and 8 show MTFs when the subject distance is “from the lens L <b> 1 370 mm, 400 mm, 430 mm”.
6 to 8, the vertical axis represents the MTF, and the horizontal axis represents the spatial frequency.
“S” represents sagittal and “T” represents tangential. The numerical value to the right of “S, T” is “image height”.
説明中の具体例は、被写体距離を400mmとして設計されており、従って、被写体距離が400mmのときに合焦している。 The specific example in the description is designed with a subject distance of 400 mm, and therefore, the focus is achieved when the subject distance is 400 mm.
この合焦状態におけるMTFは、図7に示す如くであり、空間周波数:60Cycle/mmでも0.5以上ある。 The MTF in this in-focus state is as shown in FIG. 7, and is 0.5 or more even at a spatial frequency of 60 Cycle / mm.
しかし、被写体距離が370mmの場合(図6)や、430mmの場合(図8)は、MTFは「50cycle/mmの付近」で0となっており、結像した被写体像はぼやけている。 However, when the subject distance is 370 mm (FIG. 6) or 430 mm (FIG. 8), the MTF is 0 at “around 50 cycle / mm”, and the formed subject image is blurred.
収差図とMTF図について付言すると、収差図・MTF図は、全て、波長:486nm、588nm、656nmの光について示している。 As for the aberration diagrams and the MTF diagrams, the aberration diagrams and the MTF diagrams all show light having wavelengths of 486 nm, 588 nm, and 656 nm.
しかし、以下に説明する実施例、比較例において用いられている「結像光学系」は、同一であり、この結像光学系は色収差を良好に補正されている。 However, the “imaging optical system” used in the examples and comparative examples described below is the same, and this imaging optical system is well corrected for chromatic aberration.
また、この発明は、光の波長を特に問題としていないので、以下の説明においては、各収差図・MTF図に示された収差・MTFの全体を参照するのみで十分である。 Further, since the wavelength of light is not particularly a problem in the present invention, in the following description, it is sufficient to refer to the entire aberration / MTF shown in each aberration diagram / MTF diagram.
「実施例および比較例の説明」
以下、撮像光学系の対する実施例と比較例を説明する。
撮像光学系は、前述のごとく「結像光学系に位相板を装着したもの」である。
"Description of Examples and Comparative Examples"
Hereinafter, examples and comparative examples for the imaging optical system will be described.
As described above, the imaging optical system is “an imaging optical system with a phase plate attached”.
以下に説明する実施例および比較例のすべてにおいて、結像光学系は、上に説明した具体例のものと同一であり、表1に示したデータを有する。 In all of the examples and comparative examples described below, the imaging optical system is the same as that of the specific example described above, and has the data shown in Table 1.
各実施例、比較例において「異なる部分」は、結像光学系(具体例)に装着される位相板の部分のみである。 In each of the examples and comparative examples, the “different part” is only the part of the phase plate mounted on the imaging optical system (specific example).
従って、これらにおけるレンズ構成を示す各図において、レンズおよび開口絞りについては、図2における符号L1〜L6、Sを共通して用いる。 Accordingly, in each of the drawings showing the lens configuration in these figures, the symbols L1 to L6 and S in FIG. 2 are commonly used for the lens and the aperture stop.
また、これらの図において、位相板については共通の符号「PL」を用いる。 Further, in these drawings, the common code “PL” is used for the phase plate.
「実施例1」
図9に、実施例1の光学的な構成を、図2に倣って示す。
"Example 1"
FIG. 9 shows an optical configuration of the first embodiment according to FIG.
実施例1の撮像光学系は、上記「具体例」の結像光学系のレンズL3と開口絞りSとの間に、位相板PLを、開口絞りSに近接させて配置したものである。 In the imaging optical system of Example 1, the phase plate PL is disposed close to the aperture stop S between the lens L3 and the aperture stop S of the imaging optical system of the “specific example”.
実施例1のデータを表2に示す。 The data of Example 1 is shown in Table 2.
表2における面番号7及び8の面が「位相板PLの物体側及び像側の面」であり、像側の面である面番号8の面が「ASPHERE」即ち「非球面」である。
The surfaces of
面番号7の面は平面である。 The surface with surface number 7 is a flat surface.
すなわち、位相板PLの像側の面が「非球面形状の位相変調面」になっている。
この例のように、位相変調面はなるべく開口絞りの近傍に配置することが望ましい。
That is, the image side surface of the phase plate PL is an “aspherical phase modulation surface”.
As in this example, it is desirable to arrange the phase modulation surface as close to the aperture stop as possible.
位相変調面が開口絞りから離れると、開口絞りを通過する光束全体に対して「位相変調作用」を機能させるために位相変調面が大型化し易い。 When the phase modulation surface is separated from the aperture stop, the phase modulation surface is likely to be enlarged in order to make the “phase modulation action” function for the entire light beam passing through the aperture stop.
この明細書において「位相変調面を表す非球面形状」は以下の式で表される。 In this specification, “aspheric shape representing a phase modulation surface” is expressed by the following equation.
即ち、非球面量:Z、回転対称軸からの距離:h、正規化基準円半径:H、n次の非球面係数:anにより、次式で表現する。 That is, the aspherical amount: Z, the distance from the axis of rotational symmetry: h, normalized reference circle radius: H, n order aspheric coefficients: by a n, expressed by the following equation.
Z=Σan(|h/H|)n
この非球面形状の式において、右辺の和は、n=2からn=Nまでの和をとる。Nは、設計条件により適宜に設定する。前記回転対称軸は、結像光学系の光軸に合致される。
Z = Σa n (| h / H |) n
In this aspherical formula, the sum of the right side is the sum from n = 2 to n = N. N is appropriately set according to design conditions. The rotational symmetry axis coincides with the optical axis of the imaging optical system.
実施例1の撮像光学系で用いられている位相板における位相変調面の非球面データを表3に示す。 Table 3 shows aspherical data of the phase modulation surface in the phase plate used in the imaging optical system of Example 1.
実施例1の位相変調面は、10次の非球面であり、N=10である。 The phase modulation surface of Example 1 is a 10th-order aspheric surface, and N = 10.
この発明の撮像システムで、撮像光学系に用いられる「位相板」は、説明中の実施例1の場合からも明らかなように、一方の面が平面である。 In the imaging system of the present invention, one surface of the “phase plate” used in the imaging optical system is a flat surface, as is clear from the case of Example 1 being described.
また、他方の面は、結像光学系の光軸に対する回転対称で非球面形状の位相変調面であり、h=0から外周側へ向かって単調変化(即ち、単調増加もしくは単調減少)する。 The other surface is a rotationally symmetric and aspherical phase modulation surface with respect to the optical axis of the imaging optical system, and monotonously changes from h = 0 toward the outer peripheral side (that is, monotonically increases or decreases monotonously).
この発明の撮像システムに用いられる位相変調面はまた、以下の条件:
(1) 0.55≦Z0.75/Z≦0.67
を満足する。
The phase modulation surface used in the imaging system of the present invention also has the following conditions:
(1) 0.55 ≦ Z 0.75 /Z≦0.67
Satisfied.
式(1)において、Z0.75は、最外周の半径(有効径半径):hmに対し「h=0から0.75hmの位置の非球面量」、Z0は「h=0における非球面量」である。 In the formula (1), Z 0.75 is the outermost radius (effective diameter radius): "aspherical amount of the position of 0.75h from h = 0 m" h m to, Z 0 is "h = 0 Is the aspherical amount at.
実施例1の撮像光学系(結像光学系の具体例に位相板を付加したもの)の横収差を図10に、縦収差を図11に、歪曲収差とディストーションを図12にそれぞれ示す。 FIG. 10 shows the lateral aberration of the imaging optical system of Example 1 (a specific example of the imaging optical system with a phase plate added), FIG. 11 shows the longitudinal aberration, and FIG. 12 shows the distortion and distortion, respectively.
縦収差(球面収差)を示す図11と図4と比較すると分かるように、位相板がない具体例と比較して、実施例1の球面収差は具体例のものより増大している。 As can be seen from comparison between FIGS. 11 and 4 showing longitudinal aberration (spherical aberration), the spherical aberration of Example 1 is larger than that of the specific example as compared with the specific example without the phase plate.
このような「球面収差の増大」が位相板PLの作用であり、位相板PLの付加により意図的に球面収差が付与されているのである。
一方で、図12右図のディストーションを、具体例に関する図5と比較すると「位相板の有無によるディストーションの変化量」は0.1%以下である。
即ち、実施例1の位相板PLは「ディストーションには殆ど影響せず、球面収差のみを増加」させている。
また、図11の縦収差図や、図12左図の像面湾曲を見ると、実施例1では「近軸像面のシフト」が生じている。
これについては後述するが、位相板の2次の非球面係数の影響が大きい。
Such an “increase in spherical aberration” is an action of the phase plate PL, and the spherical aberration is intentionally given by the addition of the phase plate PL.
On the other hand, when comparing the distortion in the right diagram of FIG. 12 with FIG. 5 relating to the specific example, the “variation in distortion due to the presence or absence of the phase plate” is 0.1% or less.
In other words, the phase plate PL of Example 1 “increases only the spherical aberration without substantially affecting the distortion”.
Further, when the longitudinal aberration diagram of FIG. 11 and the curvature of field of the left diagram of FIG. 12 are viewed, “paraxial image plane shift” occurs in the first embodiment.
Although this will be described later, the influence of the secondary aspherical coefficient of the phase plate is large.
実施例1の被写体距離:370mm、400mm、430mmのときのMTFをそれぞれ図13〜図15に示す。
位相板がない「具体例」では、被写体距離:370mm、430mmのMTFは、60Cycle/mm以下で0になってしまっている。
FIGS. 13 to 15 show the MTFs when the subject distances of Example 1 are 370 mm, 400 mm, and 430 mm, respectively.
In the “specific example” having no phase plate, the MTFs of the subject distances: 370 mm and 430 mm are 0 at 60 Cycle / mm or less.
これに対して、実施例1では、MTFは、被写体距離:370mm、430mmの場合も「60Cycle/mmでも0にならず」に残っている。 On the other hand, in Example 1, the MTF remains “not 0 even at 60 Cycle / mm” even when the subject distance is 370 mm and 430 mm.
このように「高い空間周波数領域でもMTFが0にならない」ことが位相板を用いる効果である。 Thus, “the MTF does not become 0 even in a high spatial frequency region” is an effect of using the phase plate.
一方で、被写体距離:400mmにおけるMTFは「全体的に低く」なっている。
即ち、位相板の挿入により「MTFは全体的に低くなる」が、広い範囲でMTFの値が0にならなくなっており「被写界深度は拡大」されている。
On the other hand, the MTF at the object distance: 400 mm is “low overall”.
That is, although the “MTF is lowered as a whole” by the insertion of the phase plate, the MTF value does not become 0 in a wide range, and “the depth of field is expanded”.
この発明においては、受光素子から出力される画像データ(位相板により球面収差を増大された撮像画像の画像データ)に対して、画像処理部による復元処理が行われる。 In the present invention, restoration processing by the image processing unit is performed on image data output from the light receiving element (image data of a captured image in which spherical aberration is increased by the phase plate).
この復元処理はデジタル処理であるが、以下これを説明する。 This restoration process is a digital process, which will be described below.
復元処理は、位相板の作用により「全体的に低くなったMTF」を復元する処理であり、公知の種々の方法で行うことができる。 The restoration process is a process of restoring “the MTF that has been lowered overall” by the action of the phase plate, and can be performed by various known methods.
たとえば、画像の復元処理としては「一般的な逆フィルタやウィーナフィルタによる逆変換処理」や「最大エントロピー法」等を用いることができる。 For example, as the image restoration processing, “inverse transformation processing using a general inverse filter or Wiener filter”, “maximum entropy method”, or the like can be used.
以下では、ウィーナフィルタに基づく復元処理を例示する。
ウィーナフィルタは一般的な画像処理フィルタであり従来から広く知られている。
Hereinafter, a restoration process based on the Wiener filter will be exemplified.
The Wiener filter is a general image processing filter and has been widely known.
即ち、空間周波数を「ω」として、画像処理フィルタを「R(ω)」は以下の式(A)の如くに定義される。 That is, assuming that the spatial frequency is “ω” and the image processing filter is “R (ω)”, the following equation (A) is defined.
(A) R(ω)=H(ω)*/[|H(ω)|2+{S(ω)2/W(ω)2}]
式(A)において、「H(ω)」は撮像光学系のOTF、「S(ω)2」は撮像対象物のパワースペクトル、「W(ω)2」は撮像素子固有のノイズのパワースペクトルである。
(A) R (ω) = H (ω) * / [| H (ω) | 2 + {S (ω) 2 / W (ω) 2 }]
In Expression (A), “H (ω)” is the OTF of the imaging optical system, “S (ω) 2 ” is the power spectrum of the imaging target, and “W (ω) 2 ” is the power spectrum of noise specific to the imaging device. It is.
また、「H(ω)*」は、OTF:H(ω)の複素共役量である。 “H (ω) * ” is a complex conjugate amount of OTF: H (ω).
原理的には、上記ウィーナフィルタを画像処理フィルタとして用いれば良いが、ウィーナフィルタは「空間周波数を変数とするフィルタ」であり、演算が複雑化しやすい。 In principle, the Wiener filter may be used as an image processing filter, but the Wiener filter is a “filter having a spatial frequency as a variable”, and the calculation is likely to be complicated.
即ち、この場合には、フィルタによる演算の対象となる画像データも、フーリエ変換により空間周波数:ωを変数するデータに変換する必要がある。 That is, in this case, it is necessary to convert the image data to be subjected to calculation by the filter into data having a variable spatial frequency: ω by Fourier transform.
そこで、以下の例においては、画像処理フィルタとして「ウィーナフィルタをフーリエ変換したカーネルフィルタ」による画像処理を説明する。 Therefore, in the following example, image processing using a “kernel filter obtained by Fourier transforming a Wiener filter” as an image processing filter will be described.
カーネルフィルタは、実空間座標を変数とするものであるから演算が容易である。 The kernel filter is easy to calculate because it uses real space coordinates as variables.
勿論、「画像処理フィルタ:R(ω)」をフーリエ変換して得られるカーネルフィルタを用いる処理は「画像処理フィルタ:R(ω)に基づく処理」である。 Of course, processing using a kernel filter obtained by Fourier transforming “image processing filter: R (ω)” is “processing based on image processing filter: R (ω)”.
従って、以下では「カーネルフィルタ」も画像処理フィルタと呼ぶ。 Therefore, hereinafter, the “kernel filter” is also referred to as an image processing filter.
説明の具体性のために、撮像光学系による被写体像が結像される撮像素子における「画素ピッチ(個々の微小な受光素子の配列ピッチ)」を8.0μmとする。 For the sake of concreteness of explanation, the “pixel pitch (arrangement pitch of individual minute light receiving elements)” in the image pickup element on which the subject image is formed by the image pickup optical system is set to 8.0 μm.
図16に、上記式(A)により作成された画像処理フィルタ:R(ω)に基づいて作成された実施例1に対する「カーネルフィルタ」を示す。 FIG. 16 shows a “kernel filter” for the first embodiment created based on the image processing filter: R (ω) created by the above formula (A).
カーネルフィルタのサイズは「19×19」としている。 The size of the kernel filter is “19 × 19”.
このカーネルフィルタと「取得した画像データ」との畳み込み演算(デジタル演算)を行う。この演算が復元処理である。 A convolution operation (digital operation) between the kernel filter and “acquired image data” is performed. This calculation is a restoration process.
ところで、開口絞りの近傍に位相板を挿入した場合「位相変調面をなす非球面形状の2次の項(=a2(|h/H|)2)」は、デフォーカス(像面のシフト)にのみ影響し、球面収差などのその他の収差には影響しない。
これは「標準Zernike多項式」で表される瞳関数の第5項の「2ρ2−1」が、フォーカスシフトの性質を持つことからも理解できる。
By the way, when a phase plate is inserted in the vicinity of the aperture stop, “aspherical second-order term forming a phase modulation surface (= a 2 (| h / H |) 2 )” is defocused (image plane shift). ) Only, and not other aberrations such as spherical aberration.
This can be understood from the fact that the second term “2ρ 2 −1” of the pupil function expressed by the “standard Zernike polynomial” has the property of focus shift.
即ち、位相板は波動光学的には「瞳面に配置され、瞳関数に位相変調面の形状と同じ形の位相差を付与」するものであると考えられる。
即ち、位相板の2次の非球面項は「瞳関数の2次の項」と等価で、フォーカスシフトの効果を付与するものであると言える。
因みに、実施例1における位相変調面の「2次の非球面係数」を0としたときの収差図を図17〜19に示す。
That is, it is considered that the phase plate is arranged on the pupil plane and gives a phase difference having the same shape as the phase modulation plane to the pupil function in wave optics.
That is, it can be said that the second-order aspheric term of the phase plate is equivalent to the “second-order term of the pupil function” and provides a focus shift effect.
Incidentally, aberration diagrams when the “second-order aspheric coefficient” of the phase modulation surface in Example 1 is 0 are shown in FIGS.
特に、図18の縦収差や、図19左図の像面湾曲を、具体例のものと比較すれば分かるように、これらの収差は「収差曲線形状は具体例のものと同じままで、近軸像面のみが左側にシフト」している。
即ち、2次の非球面係数は「近軸像面をシフトさせる」ために用いることができる。
その一方で、球面収差には何ら影響を与えないので、MTF特性や「被写界深度の拡大効果」に対しては影響がない。
In particular, as can be seen by comparing the longitudinal aberration of FIG. 18 and the curvature of field of the left figure of FIG. 19 with those of the specific example, these aberrations are “the aberration curve shape remains the same as the specific example, Only the axial image plane is shifted to the left.
That is, the secondary aspheric coefficient can be used to “shift the paraxial image plane”.
On the other hand, since the spherical aberration is not affected at all, there is no influence on the MTF characteristic and the “depth-of-field expansion effect”.
換言すれば、位相変調面をなす非球面形状において「2次の非球面の項は、如何なる値でも良く、3次以上の次数で表される形状」が重要である。 In other words, in the aspherical surface forming the phase modulation surface, “the second-order aspherical term may have any value, and the shape represented by the third or higher order” is important.
「実施例2」
図20に、実施例2の光学的な構成を、図2に倣って示す。
"Example 2"
FIG. 20 shows an optical configuration of the second embodiment according to FIG.
実施例2の撮像光学系は、上記「具体例」の結像光学系のレンズL3と開口絞りSとの間に、位相板PLを、開口絞りSに近接させて配置したものである。 In the imaging optical system of Example 2, the phase plate PL is arranged close to the aperture stop S between the lens L3 and the aperture stop S of the imaging optical system of the “specific example”.
実施例2のデータを表4に示す。 The data of Example 2 is shown in Table 4.
表4における面番号7および8の面が「位相板PLの物体側及び像側の面」であり、
像側の面である面番号8の面が非球面である。
The surfaces of
The surface of
面番号7の面は平面である。 The surface with surface number 7 is a flat surface.
すなわち、位相板PLの像側の面が「非球面形状の位相変調面」になっている。
実施例2の撮像光学系で用いられている位相板における位相変調面の非球面データを表5に示す。
That is, the image side surface of the phase plate PL is an “aspherical phase modulation surface”.
Table 5 shows aspherical data of the phase modulation surface in the phase plate used in the imaging optical system of Example 2.
実施例2の位相変調面は、10次の非球面であり、N=10である。 The phase modulation surface of Example 2 is a 10th-order aspheric surface, and N = 10.
実施例2の撮像光学系の、横収差を図21に、縦収差を図22に、像面湾曲とディストーションを図23に示す。 FIG. 21 shows the lateral aberration, FIG. 22 shows the longitudinal aberration, and FIG. 23 shows the field curvature and distortion of the imaging optical system of Example 2.
また、実施例2の撮像光学系のMTFを、図24〜図26に示す。図24、図25、図26に対応する被写体距離は、それぞれ、370mm、400mm、430mmである。 MTFs of the imaging optical system of Example 2 are shown in FIGS. The subject distances corresponding to FIGS. 24, 25, and 26 are 370 mm, 400 mm, and 430 mm, respectively.
実施例2の撮像光学系を用いる場合の、画像処理フィルタであるカーネルフィルタを、図27に示す。 FIG. 27 shows a kernel filter that is an image processing filter when the imaging optical system of the second embodiment is used.
「実施例3」
図28に、実施例3の光学的な構成を、図2に倣って示す。
"Example 3"
FIG. 28 shows the optical configuration of Example 3 according to FIG.
実施例3の撮像光学系は、上記「具体例」の結像光学系のレンズL3と開口絞りSとの間に、位相板PLを、開口絞りSに近接させて配置したものである。 In the imaging optical system of Example 3, the phase plate PL is disposed in the vicinity of the aperture stop S between the lens L3 and the aperture stop S of the imaging optical system of the “specific example”.
実施例3のデータを表6に示す。 The data of Example 3 is shown in Table 6.
表6における面番号7および8の面が「位相板PLの物体側及び像側の面」であり、
像側の面である面番号8の面が非球面である。
The surfaces of
The surface of
面番号7の面は平面である。 The surface with surface number 7 is a flat surface.
すなわち、位相板PLの像側の面が「非球面形状の位相変調面」になっている。
実施例3の撮像光学系で用いられている位相板における位相変調面の非球面データを表7に示す。
That is, the image side surface of the phase plate PL is an “aspherical phase modulation surface”.
Table 7 shows aspherical data of the phase modulation surface in the phase plate used in the imaging optical system of Example 3.
実施例3の位相変調面は、10次の非球面であり、N=10である。 The phase modulation surface of Example 3 is a 10th-order aspheric surface, and N = 10.
実施例3の撮像光学系の、横収差を図29に、縦収差を図30に、像面湾曲とディストーションを図31に示す。 FIG. 29 shows lateral aberrations, FIG. 30 shows longitudinal aberrations, and FIG. 31 shows field curvature and distortion of the imaging optical system of Example 3.
また、実施例3の撮像光学系のMTFを、図32〜図34に示す。図32、図33、図34に対応する被写体距離は、それぞれ、370mm、400mm、430mmである。 Moreover, the MTF of the imaging optical system of Example 3 is shown in FIGS. The subject distances corresponding to FIGS. 32, 33, and 34 are 370 mm, 400 mm, and 430 mm, respectively.
実施例3の撮像光学系を用いる場合の、画像処理フィルタであるカーネルフィルタを、図35に示す。 FIG. 35 shows a kernel filter that is an image processing filter when the imaging optical system according to the third embodiment is used.
実施例1〜3の「縦収差図(球面収差)」を比較すると、実施例1と実施例2の縦収差図では「瞳の高さが1/2程度の位置で変曲点を持つ」こと共通している。
実施例3の「縦収差図」は、実施例1、2のものと少し異なり「一定の傾きを持った直線状の収差」となっている。
Comparing the “longitudinal aberration diagrams (spherical aberration)” of Examples 1 to 3, the longitudinal aberration diagrams of Example 1 and Example 2 “having an inflection point at a position where the pupil height is about 1/2” It is common.
The “longitudinal aberration diagram” of Example 3 is slightly different from those of Examples 1 and 2, and is “linear aberration with a certain inclination”.
この発明のように「画像処理を前提として設計された撮像光学系」においては、単純にMTFや収差から性能の善し悪しを推し量ることはできない。
何故ならば、撮像光学系のMTFが低くても「画像処理によって復元した画像」が良い可能性があるからである。
In the “imaging optical system designed on the premise of image processing” as in the present invention, it is impossible to simply estimate whether the performance is good or bad from MTF and aberration.
This is because an “image restored by image processing” may be good even if the MTF of the imaging optical system is low.
ここで、比較例を2例あげる。 Here, two comparative examples are given.
これら2つの比較例は、先に「具体例」として説明した結像光学系に、実施例1〜3とは異なる位相変調面形状の位相板を付加したものである。 In these two comparative examples, a phase plate having a phase modulation surface shape different from those of the first to third embodiments is added to the imaging optical system described above as the “specific example”.
従って、以下にあげる比較例1、2と、実施例1〜3との差異は「位相板の差異」のみである。 Therefore, the difference between Comparative Examples 1 and 2 described below and Examples 1 to 3 is only “difference in phase plate”.
実施例1〜3において用いられている位相板PLは、結像光学系の光軸に対して回転対象である。 The phase plate PL used in the first to third embodiments is a rotation target with respect to the optical axis of the imaging optical system.
このような「結像光学系の光軸に対して回転対称な位相変調面」を持つ位相板としては、従来から「3次球面収差を与える位相板」が知られている。 As a phase plate having such a “phase modulation surface that is rotationally symmetric with respect to the optical axis of the imaging optical system”, a “phase plate that gives third-order spherical aberration” has been known.
この位相板は、位相変調面の非球面形状:Z(h)が、
Z=a2h2−a4h4
で表されるものである。
This phase plate has an aspheric shape of the phase modulation surface: Z (h)
Z = a 2 h 2 −a 4 h 4
It is represented by
ここで「2次の項:a2h2」は、光学的な性能には影響しないので、実質的には「4次の項:−a4h4」のみで構成された位相板である。
この式で表される位相面形状を使用したのが比較例1、比較例2である。
Here, since the “second order term: a 2 h 2 ” does not affect the optical performance, it is substantially a phase plate composed of only the “fourth order term: −a 4 h 4 ”. .
Comparative Example 1 and Comparative Example 2 use the phase plane shape represented by this equation.
「比較例1」
図36に、比較例1の光学的な構成を、図2に倣って示す。
"Comparative Example 1"
FIG. 36 shows the optical configuration of Comparative Example 1 according to FIG.
比較例1の撮像光学系は、上記「具体例」の結像光学系のレンズL3と開口絞りSとの間に、位相板PLを、開口絞りSに近接させて配置したものである。 In the imaging optical system of Comparative Example 1, the phase plate PL is disposed close to the aperture stop S between the lens L3 and the aperture stop S of the imaging optical system of the “specific example”.
比較例1のデータを表8に示す。 The data of Comparative Example 1 is shown in Table 8.
表8における面番号7および8の面が「位相板の物体側及び像側の面」で、像側の面である面番号8の面が非球面である。
In Table 8, the surfaces with
面番号7の面は平面である。 The surface with surface number 7 is a flat surface.
すなわち、位相板PLの像側の面が「非球面形状の位相変調面」になっている。
比較例1の撮像光学系で用いられている位相板における位相変調面の非球面データを表9に示す。
That is, the image side surface of the phase plate PL is an “aspherical phase modulation surface”.
Table 9 shows aspherical data of the phase modulation surface in the phase plate used in the imaging optical system of Comparative Example 1.
前述のごとく、2次の項は適宜であり、光学的な性能に影響しない。3次の非球面係数:a3以降の係数:a5〜a10は、4次の係数:a4を除き全て「0」である。 As described above, the second order term is appropriate and does not affect the optical performance. 3 order aspherical coefficients: a 3 subsequent coefficients: a 5 ~a 10 are fourth order coefficient: a all but a 4 "0".
図37には比較例1の「横収差」を、図38には「縦収差」を、図39には「像面湾曲とディストーション」を示す。 37 shows “lateral aberration” of Comparative Example 1, FIG. 38 shows “longitudinal aberration”, and FIG. 39 shows “field curvature and distortion”.
また、比較例1の撮像光学系の被写体距離:370mm、400mm、430mmのときのMTFを、それぞれ、図40〜図42に示す。 In addition, FIGS. 40 to 42 show MTFs when the subject optical distances of the imaging optical system of Comparative Example 1 are 370 mm, 400 mm, and 430 mm, respectively.
また、比較例1の撮像光学系で撮像された画像データに対する復元処理に用いるカーネルフィルタを図43に示す。 FIG. 43 shows a kernel filter used for restoration processing for image data picked up by the image pickup optical system of Comparative Example 1.
「比較例2」
図44に、比較例2の光学的な構成を、図2に倣って示す。
"Comparative Example 2"
FIG. 44 shows the optical configuration of Comparative Example 2 according to FIG.
比較例2の撮像光学系は、上記「具体例」の結像光学系のレンズL3と開口絞りSとの間に、位相板PLを、開口絞りSに近接させて配置したものである。 In the imaging optical system of Comparative Example 2, the phase plate PL is disposed close to the aperture stop S between the lens L3 and the aperture stop S of the imaging optical system of the “specific example”.
比較例2のデータを表10に示す。 The data of Comparative Example 2 is shown in Table 10.
比較例2の撮像光学系で用いられている位相板における位相変調面の非球面データを表9に倣って、表11に示す。 Table 11 shows the aspherical data of the phase modulation surface of the phase plate used in the imaging optical system of Comparative Example 2, following Table 9.
前述のごとく、2次の項は適宜であり、光学的な性能に影響しない。4次の非球面係数:a4以降の係数は全て「0」である。 As described above, the second order term is appropriate and does not affect the optical performance. 4-order aspherical coefficients: coefficient of a 4 or later are all "0".
図45には比較例2の「横収差」を、図46には「縦収差」を、図47には「像面湾曲とディストーション」を示す。 45 shows “lateral aberration” of Comparative Example 2, FIG. 46 shows “longitudinal aberration”, and FIG. 47 shows “field curvature and distortion”.
また、比較例2の撮像光学系の被写体距離:370mm、400mm、430mmのときのMTFを、それぞれ、図48〜図50に示す。 In addition, FIGS. 48 to 50 show the MTFs when the subject optical distances of the imaging optical system of Comparative Example 2 are 370 mm, 400 mm, and 430 mm, respectively.
また、比較例2の撮像光学系で撮像された画像データに対する復元処理に用いるカーネルフィルタを図51に示す。 Further, FIG. 51 shows a kernel filter used for restoration processing for image data captured by the imaging optical system of Comparative Example 2.
上に、撮像システムの具体的な例を、実施例1〜3と比較例1、2として挙げた。 Above, the specific example of the imaging system was given as Examples 1-3 and Comparative Examples 1 and 2.
以下には、これらの評価を説明する。 In the following, these evaluations will be described.
前述のごとく「画像処理を前提として設計された撮像光学系」においては、撮像光学系のMTFが低くても「画像処理によって復元した画像」が良い可能性がある。 As described above, in the “imaging optical system designed on the assumption of image processing”, “an image restored by image processing” may be good even if the MTF of the imaging optical system is low.
従って、単純にMTFや収差から性能の善し悪しを評価することは適当でない。
撮像システムとしての良し悪しは、結局「復元された画像」がどの程度「理想画像」に近いかで決まると考えられる。
Therefore, it is not appropriate to simply evaluate whether the performance is good or bad based on MTF and aberration.
The quality of the imaging system is considered to be determined by how close the “restored image” is to the “ideal image”.
この評価を、以下に述べる「MSE」と「フィルタゲイン:GF」により行う。 This evaluation is performed by “MSE” and “filter gain: GF” described below.
「MSE」は、次式:(B)のように定義される[mse]と関連する。 “MSE” is related to [mse] defined as the following formula: (B).
(B) mse
=∫{|1-R(ω)H(ω)|2・|S(ω)|2+|R(ω)|2・|W(ω)|2}dω
式(B)において、「R(ω)」は画像処理フィルタ、「H(ω)」は撮像光学系のOTFである。
(B) mse
= ∫ {| 1-R (ω) H (ω) | 2 · | S (ω) | 2 + | R (ω) | 2 · | W (ω) | 2 } dω
In Expression (B), “R (ω)” is an image processing filter, and “H (ω)” is an OTF of the imaging optical system.
「S(ω)2」は撮像対象物のパワースペクトル、「W(ω)2」は撮像素子固有のノイズのパワースペクトルである。 “S (ω) 2 ” is the power spectrum of the object to be imaged, and “W (ω) 2 ” is the power spectrum of noise specific to the image sensor.
フィルタゲイン:FGは、「画像処理フィルタ:R(ω)の全周波数に対する平均値」である。 The filter gain: FG is “image processing filter: average value for all frequencies of R (ω)”.
「mse」は、基本的には以下の如く定義される。 “Mse” is basically defined as follows.
mse=∫|S(ω)―R(ω)・X(ω)|2dω
即ち、mseは「理想画像:S(ω)」と「実画像:X(ω)と画像処理フィルタ:R(ω)の積」との2乗平均誤差量に相当する。
mse = ∫ | S (ω) −R (ω) · X (ω) | 2 dω
That is, mse corresponds to the mean square error amount of “ideal image: S (ω)” and “real image: product of X (ω) and image processing filter: R (ω)”.
式(B)は、上記式から、X(ω)を消去した表現である。 Expression (B) is an expression obtained by eliminating X (ω) from the above expression.
「mse」は、その値が小さくなるほど「画像処理により復元された画像」が理想画像に近づき、良い画像が得られるシステムであると判断できる。 As the value of “mse” decreases, it can be determined that the “image restored by image processing” approaches the ideal image and a good image can be obtained.
そこで、評価のパラメータとして、上記「mse」の、被写界深度内における被写体距離の最大値、中間値、最小値における値の平均値:MSEを用いる。 Therefore, the average value: MSE of the maximum, intermediate, and minimum values of the subject distance within the depth of field of the above “mse” is used as an evaluation parameter.
表12に、実施例1〜3及び比較例1、2におけるMSEとFGを示す。 Table 12 shows MSE and FG in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2.
なお、以下の説明において、被写界深度内における被写体の最大値は430mm、中間値は400mm、最小値は370mmである。 In the following description, the maximum value of the subject within the depth of field is 430 mm, the intermediate value is 400 mm, and the minimum value is 370 mm.
表12の値を得るに当たって、H(ω)、S(ω)、W(ω)はいずれも、式(A)で定義されるウィーナフィルタを作成する際に使用した値と同じものを用いている。 In obtaining the values in Table 12, H (ω), S (ω), and W (ω) are all the same as those used when creating the Wiener filter defined by the formula (A). Yes.
ウィーナフィルタの作成の場合と同様に、S(ω)とW(ω)は適当な値を設定する。
表12の値を演算する基礎として「S(ω)2が約0.003」、「W(ω)2が約0.00001」で「全周波数に対して一定」であると仮定して計算を行った。
As in the case of creating the Wiener filter, S (ω) and W (ω) are set to appropriate values.
As a basis for calculating the values in Table 12, it is assumed that “S (ω) 2 is about 0.003”, “W (ω) 2 is about 0.00001”, and “constant for all frequencies”. Went.
表12に示す如く、被写体距離:370mm、400mm、430mmにおける「MSE」は、実施例1〜3においてそれぞれ0.101、0.115、0.095である。 As shown in Table 12, “MSE” at subject distances of 370 mm, 400 mm, and 430 mm is 0.101, 0.115, and 0.095 in Examples 1 to 3, respectively.
一方、比較例1、2においては、被写体距離:370mm、400mm、430mmにおける「MSE」は、それぞれ0.178、0.157である。 On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, “MSE” at subject distances of 370 mm, 400 mm, and 430 mm is 0.178 and 0.157, respectively.
比較例1、2と実施例1〜3の「MSE」を比較すると、実施例が比較例に比して「全体的に低く」なっており「より理想画像に近い画像」を取得することができている。
フィルタゲイン:FGを比較すると、実施例の方が比較例よりも低い値になっている。
フィルタゲイン:FGは、画像処理フィルタにより「MTFがどれだけ持ち上げられているか」の指標であり、FGの値が低いほどMTFの持ち上げ量が少ない。
画像処理によりMTFを増幅させる際には「センサ固有のノイズ成分」も増幅させてしまうため、FGの値は小さいほうが好ましい。
Comparing “MSE” of Comparative Examples 1 and 2 and Examples 1 to 3, the example is “lower overall” compared to the comparative example, and “an image closer to the ideal image” can be obtained. is made of.
When the filter gain: FG is compared, the value of the example is lower than that of the comparative example.
Filter gain: FG is an index of “how much the MTF is lifted” by the image processing filter, and the lower the value of FG, the smaller the amount of lifting of the MTF.
When amplifying the MTF by image processing, a “sensor-specific noise component” is also amplified. Therefore, it is preferable that the value of FG is small.
実施例1〜3では、従来例と比較してノイズの増加が抑制できていることが分かる。 In Examples 1-3, it turns out that the increase in noise can be suppressed compared with a prior art example.
上記の如く、MSEの値は「小さい」ほど、復元される画像が「理想画像に近く」なり、FGの値は「小さい」ほど、「センサ固有のノイズ成分」の増幅を抑制できる。 As described above, the smaller the MSE value is, the closer the image to be restored is to “close to the ideal image”, and the smaller the FG value is, the more the amplification of the “sensor-specific noise component” can be suppressed.
MSEの値は、以下の条件:
(4) MSE<0.13
を満足することが好ましい。
The value of MSE is subject to the following conditions:
(4) MSE <0.13
Is preferably satisfied.
また、FGの値は、以下の条件:
(5) FG<3.8
を満足することが好ましい。
Moreover, the value of FG is the following conditions:
(5) FG <3.8
Is preferably satisfied.
条件(4)の上限を超えると、画像の良好な復元が難しく、条件(5)の上限を超えると、ノイズ成分の増幅を十分に抑制できない。 When the upper limit of the condition (4) is exceeded, it is difficult to restore the image satisfactorily, and when the upper limit of the condition (5) is exceeded, the amplification of the noise component cannot be sufficiently suppressed.
条件(4)、(5)を満足することにより「より理想画像に近くノイズが少ない画像」を復元画像として得ることができる。 By satisfying the conditions (4) and (5), an “image closer to an ideal image and less noise” can be obtained as a restored image.
実施例1と実施例2の縦収差図(図11と図22)を見ると、これらは以下の点で共通している。 Looking at the longitudinal aberration diagrams of Example 1 and Example 2 (FIGS. 11 and 22), these are common in the following points.
即ち、縦収差の曲線は、瞳の中心から外周に向かって傾きが漸増し、瞳の最外周の1/2程度で「像面を通過するとともに変曲点」をむかえる。 That is, the longitudinal aberration curve gradually increases in inclination from the center of the pupil toward the outer periphery, and changes to “inflection point while passing through the image plane” at about ½ of the outermost periphery of the pupil.
さらに瞳の最外周付近では「傾きが略0」になる。 Furthermore, “the inclination is substantially 0” near the outermost periphery of the pupil.
また、実施例3の縦収差(図28)は「傾きが一定で直線的な収差」になっている。 Further, the longitudinal aberration (FIG. 28) of Example 3 is “linear aberration with constant inclination”.
一方、比較例1と2の縦収差図(図33と図38)を見ると、これらの縦収差の曲線は何れも「変曲点を持たない単調な曲線」である。 On the other hand, looking at the longitudinal aberration diagrams of Comparative Examples 1 and 2 (FIGS. 33 and 38), these longitudinal aberration curves are all “monotonic curves having no inflection points”.
即ち、実施例1、2や実施例3の縦収差の「形状」は、比較例1、2の縦収差と明確に区別可能な形状であり、これは「用いる位相板の位相変調面の形状の差」に対応する。 That is, the “shape” of the longitudinal aberration in Examples 1 and 2 and Example 3 is a shape that can be clearly distinguished from the longitudinal aberration in Comparative Examples 1 and 2, and this is “the shape of the phase modulation surface of the phase plate to be used”. Corresponds to “difference”.
実施例1〜3と比較例1、2の位相変調面の形状を図52に示す。
図52において「実1、実2、実3」は「実施例1、実施例2、実施例3」を示す。
The shapes of the phase modulation surfaces of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 are shown in FIG.
In FIG. 52, “
また「比1、比2」は「比較例1、比較例2」を示す。
“
図の右側にある「従来例1、従来例2」は「比較例1、比較例2」を意味する。 “Conventional example 1, conventional example 2” on the right side of the figure means “comparative example 1, comparative example 2”.
この図は、位相変調面の中心を通り、結像光学系の光軸に平行な平面による断面形状であり、縦軸が「サグ量」であり、横軸が半径方向となっている。
ただし、前述の通り、2次の非球面項は性能に影響しないので「2次の非球面係数は0としたときのプロファイル:(Z―a2(|h/H|)2)」を描いている。
また、形状の違いを分かりやすくするためサグ量(高さ)の最大値を全て1に規格化し、半径方向は最大半径を1に規格化している。
This figure shows a cross-sectional shape by a plane passing through the center of the phase modulation surface and parallel to the optical axis of the imaging optical system, the vertical axis is the “sag amount”, and the horizontal axis is the radial direction.
However, as described above, since the second-order aspheric term does not affect the performance, “profile when the second-order aspheric coefficient is 0: (Z−a 2 (| h / H |) 2 )” is drawn. ing.
Further, in order to make the difference in shape easy to understand, the maximum value of the sag amount (height) is all normalized to 1, and the maximum radius is normalized to 1 in the radial direction.
「位相変調面の形状のサグ量の違い」は、収差量の絶対値に影響する。
例えば、サグ量を大きくすると、縦収差の曲線形状(プロファイル)は変わらずに、ただ収差の絶対値が大きくなる。サグ量を変えても、収差の形状は変わらない。
The “difference in the sag amount of the shape of the phase modulation surface” affects the absolute value of the aberration amount.
For example, when the amount of sag is increased, the absolute value of aberration is increased without changing the curve shape (profile) of longitudinal aberration. Changing the sag amount does not change the shape of the aberration.
従って、上に説明した実施例1〜3の「特徴的な収差のプロファイル」は、位相変調面のサグ量を変えても不変である。 Therefore, the “characteristic aberration profile” of the first to third embodiments described above is unchanged even when the sag amount of the phase modulation surface is changed.
即ち、この発明の位相板の位相変調面を特徴づけるのは、サグ量ではなく、その形状である。 That is, it is not the amount of sag but the shape that characterizes the phase modulation surface of the phase plate of the present invention.
図52を一部拡大したのが図53である。
図53において「実1、実2、実3」は「実施例1、実施例2、実施例3」を示す。
FIG. 53 is a partially enlarged view of FIG.
In FIG. 53, “
また「比1、比2」は「比較例1、比較例2」を示す。
“
図の右側にある「従来例1、従来例2」は「比較例1、比較例2」を意味する。 “Conventional example 1, conventional example 2” on the right side of the figure means “comparative example 1, comparative example 2”.
位相変調面の断面形状を比較すると、規格化半径:0.5〜0.9あたりにかけて、実施例1〜3のサグ量は比較例1、2の中間あたりを通過している。
これが、この発明の位相板の位相変調面に特徴的な形状である。
表12における「相対サグ量」の欄における、「有効半径」は、位相変調面の最外周の半径:hmであり、図52、図53では、1に規格化されている。
Comparing the cross-sectional shapes of the phase modulation surfaces, the sag amount of Examples 1 to 3 passes around the middle of Comparative Examples 1 and 2 around a normalized radius of 0.5 to 0.9.
This is a characteristic shape of the phase modulation surface of the phase plate of the present invention.
In the column of "relative sag" in Table 12, the "effective radius" is the radius of the outermost periphery of the phase modulation plane: a h m, 52, FIG. 53, it is normalized to 1.
表12に示されている「有効半径×0.75」、「有効半径×0.5」は、それぞれ、0.75hm、0.5hmである。 It is shown in Table 12, "effective radius × 0.75", "effective radius × 0.5", respectively, is 0.75 h m, 0.5h m.
また、サグ量は「サグ量(高さ)の最大値を全て1に規格化」した値である。 The sag amount is a value obtained by “normalizing the maximum value of the sag amount (height) to all 1”.
即ち、h=0から0.75hmの位置の非球面量:Z0.75と、h=0における非球面量:Z0との比:Z0.75/Z0、0.5hmの位置の非球面量:Z0.5と、非球面量:Z0との比:Z0.5/Z0である。 That is, the aspherical amount of the position of 0.75 h m from h = 0: and Z 0.75, the aspherical amount at h = 0: the ratio of the Z 0: Z 0.75 / Z 0 , of 0.5h m The ratio of the aspheric amount of the position: Z 0.5 and the aspheric amount: Z 0 is Z 0.5 / Z 0 .
図54、図55は、実施例1〜3と比較例1、2における「サグ量比」とMSEの関係を示している。 54 and 55 show the relationship between the “sag amount ratio” and the MSE in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2. FIG.
図54、図55においても「実1、実2、実3」は「実施例1、実施例2、実施例3」を示し、「比1、比2」は「比較例1、比較例2」を示す。
54 and 55, “
図54における横軸のサグ量比は「Z0.75/Z0」を表し、図55における横軸のサグ量比は「Z0.5/Z0」を表している。 The sag amount ratio on the horizontal axis in FIG. 54 represents “Z 0.75 / Z 0 ”, and the sag amount ratio on the horizontal axis in FIG. 55 represents “Z 0.5 / Z 0 ”.
実施例1〜3においては、Z0.75/Z0は「0.55ないし0.67の範囲」に収まり、Z0.5/Z0は「0.85ないし0.95の範囲」に収まっている。 In Examples 1 to 3, Z 0.75 / Z 0 falls within the “range of 0.55 to 0.67”, and Z 0.5 / Z 0 falls within the “range of 0.85 to 0.95”. It is settled.
図54に示すように、このように、実施例1〜3では、サグ量比:Z0.75/Z0が条件(1)を満たすことにより「0.13より小さいMSE」が実現されている。 As shown in FIG. 54, in Examples 1 to 3 as described above, the “sag amount ratio: Z 0.75 / Z 0 ” satisfies the condition (1), thereby realizing “MSE smaller than 0.13”. Yes.
図55に示すように、このように、実施例1〜3では、サグ量比:Z0.5/Z0が条件(2)を満たすことにより「0.13より小さいMSE」が実現されている。 As shown in FIG. 55, in Examples 1 to 3 as described above, “MSE smaller than 0.13” is realized when the sag amount ratio: Z 0.5 / Z 0 satisfies the condition (2). Yes.
上に示した実施例1〜3では、位相変調面の形状は「2次の非球面係数を0としたときに凸面となる面形状」である。 In the first to third embodiments shown above, the shape of the phase modulation surface is “a surface shape that becomes a convex surface when the secondary aspherical coefficient is 0”.
しかし、これに限らず、相対サグ量が上記の値に収まれば、位相変調面の形状を凹面としてもよい。 However, the present invention is not limited to this, and the shape of the phase modulation surface may be a concave surface as long as the relative sag amount falls within the above value.
1例として、実施例1における位相変調面の非球面形状の「3次から10次の非球面係数」の符号を反転させたものもの(撮像光学系)を実施例4として示す。
図56に、実施例4の光学的な構成を、図2に倣って示す。
As an example, an example (imaging optical system) obtained by inverting the sign of the “third-order to tenth-order aspheric coefficient” of the aspheric shape of the phase modulation surface in the first embodiment is shown as a fourth embodiment.
FIG. 56 shows an optical configuration of the fourth embodiment according to FIG.
実施例4の撮像光学系は、上記「具体例」の結像光学系のレンズL3と開口絞りSとの間に、位相板PLを、開口絞りSに近接させて配置したものである。 In the imaging optical system of Example 4, the phase plate PL is disposed close to the aperture stop S between the lens L3 and the aperture stop S of the imaging optical system of the “specific example”.
実施例4の撮像光学系のデータを表13に示す。 Table 13 shows data of the imaging optical system of Example 4.
実施例4の撮像光学系で用いられている位相板における位相変調面の非球面データを表14に示す。 Table 14 shows aspherical data of the phase modulation surface in the phase plate used in the imaging optical system of Example 4.
実施例4の撮像光学系の、横収差を図57に、縦収差を図58に、像面湾曲とディストーションを図59に示す。 FIG. 57 shows lateral aberrations, FIG. 58 shows longitudinal aberrations, and FIG. 59 shows curvature of field and distortion of the imaging optical system of Example 4.
また、実施例4の撮像光学系のMTFを、図60〜図62に示す。図60、図61、図62に対応する被写体距離は、それぞれ、370mm、400mm、430mmである。 Further, the MTF of the imaging optical system of Example 4 is shown in FIGS. The subject distances corresponding to FIGS. 60, 61, and 62 are 370 mm, 400 mm, and 430 mm, respectively.
実施例4の撮像光学系を用いる場合の、画像処理フィルタであるカーネルフィルタを、図63に示す。 FIG. 63 shows a kernel filter that is an image processing filter when the imaging optical system according to the fourth embodiment is used.
図58の縦収差図から分かるように、実施例4の撮像光学系の縦収差は、実施例1の縦収差図が「左右対称に入れ替わった」ものである。 As can be seen from the longitudinal aberration diagram of FIG. 58, the longitudinal aberration of the imaging optical system of Example 4 is that the longitudinal aberration diagram of Example 1 is “symmetrically switched”.
このときの被写体距離:370mm、400mm、430mmの「mseの平均値」であるMSEは0.115であり、比較例1、2と比較して低い値である。
従って、実施例1〜3における位相板の位相変調面の形が、形状を保ったまま凹面になっても、位相板としての性能は殆ど変わらない。
The object distance at this time: MSE, which is an “average value of mse” of 370 mm, 400 mm, and 430 mm, is 0.115, which is a lower value compared to Comparative Examples 1 and 2.
Therefore, even if the shape of the phase modulation surface of the phase plate in Examples 1 to 3 is a concave surface while maintaining the shape, the performance as the phase plate is hardly changed.
以上の説明を鑑みて、この発明の撮像システムで用いられる位相板の位相変調面形状を要約すると、以下の如くになる。 In view of the above description, the phase modulation surface shape of the phase plate used in the imaging system of the present invention is summarized as follows.
即ち、位相変調面は、回転対称の非球面形状であり、2次の非球面項による成分を除去すると「中心から外周にかけて単調増加もしくは単調減少」である。 That is, the phase modulation surface has a rotationally symmetric aspheric shape, and is “monotonically increasing or decreasing monotonically from the center to the outer periphery” when the component due to the secondary aspheric term is removed.
最もサグ量が高い(低い)位置のサグ量を1、最大半径をhmとして、0.75hmの位置でのサグ量比:Z0.75/Z0が0.55〜0.67の範囲に収まる。
Most sag amount is high (the lower)
最もサグ量が高い(低い)位置のサグ量を1、最大半径をhmとして、0.5hmの位置でのサグ量比:Z0.5/Z0が0.85〜0.95の範囲に収まる。
Most sag amount is high (the lower)
また、位相板が結像光学系の開口絞りの近傍に挿入された場合に、縦収差の形状が特徴的となる。 Further, when the phase plate is inserted in the vicinity of the aperture stop of the imaging optical system, the shape of the longitudinal aberration becomes characteristic.
即ち、実施例1や2や4のように「瞳の中心から瞳の外側に行くに従い、徐々に傾きが大きくなり、瞳の最外周の1/2程度で像面を通過するとともに変曲点をむかえ、さらに瞳の最外周付近でほぼ傾きが0になる」形状の球面収差になる。 That is, as in the first, second, and fourth embodiments, “inclination gradually increases from the center of the pupil toward the outside of the pupil, passes through the image plane at about half of the outermost periphery of the pupil, and inflection points On the other hand, the spherical aberration becomes a shape in which the inclination is almost zero near the outermost periphery of the pupil.
あるいは実施例3のように「傾きが一定の直線的な形状」の球面収差になる。 Alternatively, the spherical aberration has a “linear shape with a constant inclination” as in the third embodiment.
上に実施の形態を説明した「撮像システム」は、撮像対象物201を撮像する撮像光学系202と、撮像光学系による撮像対象物の像を撮像する撮像素子205と、撮像素子から出力される画像に対する画像処理を行う画像処理部206と、を有する。
The “imaging system” in which the embodiment has been described above is output from the imaging
撮像光学系202は、撮像対象物を結像する結像光学系と、結像光学系内に付加されて、焦点深度を拡大するために、結像光学系の球面収差を増大する位相板203を有する。
The imaging
画像処理部206は、撮像光学系により撮像された「球面収差が増大した画像データに対して復元処理を行う」ものである。 The image processing unit 206 performs “restoration processing on image data with increased spherical aberration” imaged by the imaging optical system.
位相板203は、一方の面が平面で、他方の面が「結像光学系の光軸に対する回転対称で非球面形状」の位相変調面を有する。
The
この位相変調面の非球面形状は、非球面量:Z、回転対称軸からの距離:h、正規化基準円半径:H、n次の非球面係数:anにより、式:
Z=Σan(|h/H|)n (和はnについて、n=2からn=Nまで取る)
により表される非球面形状において、
Z―a2(|h/H|)2
が、h=0から外周側へ向かって単調変化する。
The aspheric shape of this phase modulation surface is expressed by the following equation: aspheric amount: Z, distance from rotational symmetry axis: h, normalized reference circular radius: H, n-order aspheric coefficient: an
Z = Σa n (| h / H |) n (sum takes n = 2 to n = N for n)
In the aspheric shape represented by
Z-a 2 (| h / H |) 2
However, it changes monotonously from h = 0 toward the outer peripheral side.
また、最外周の半径:hmに対し、h=0から0.75hmの位置の非球面量:Z0.75と、h=0における非球面量:Z0との比が、条件:
(1) 0.55≦Z0.75/Z0≦0.67
を満足する。
Further, the outermost radius to h m, aspherical amount of the position of 0.75 h m from h = 0: and Z 0.75, the aspherical amount at h = 0: the ratio of the Z 0, the condition:
(1) 0.55 ≦ Z 0.75 / Z 0 ≦ 0.67
Satisfied.
また、hmに対し、0.5hmの位置の非球面量:Z0.5と、h=0における非球面量:Z0との比が、条件:
(2) 0.85≦Z0.5/Z0≦0.94
を満足する。
Further, with respect to h m, aspherical amount of the position of 0.5h m: a Z 0.5, aspherical amount at h = 0: the ratio of the Z 0, the condition:
(2) 0.85 ≦ Z 0.5 / Z 0 ≦ 0.94
Satisfied.
撮像システムはまた、撮像対象物201を撮像する撮像光学系202と、撮像光学系による撮像対象物の像を撮像する撮像素子205と、撮像素子から出力される画像に対する画像処理を行う画像処理部206とを有し、以下の特徴を有している。
The imaging system also includes an imaging
即ち、撮像光学系は、撮像対象物を結像する結像光学系202と、結像光学系内に付加されて、焦点深度を拡大するために、結像光学系の球面収差を増大する位相板203を有する。
That is, the imaging optical system includes an imaging
位相板203は、一方の面が平面で、他方の面が、結像光学系の光軸に対する回転対称で非球面形状の位相変調面を有する。
The
画像処理部206は、撮像光学系により撮像された、球面収差が増大した画像に対し、画像処理フィルタ:R(ω)に基づいて復元処理を行う。 The image processing unit 206 performs restoration processing based on an image processing filter: R (ω) on an image captured by the imaging optical system and having increased spherical aberration.
画像処理フィルタ:R(ω)は、撮像光学系のOTF:H(ω)、撮像対象物のパワースペクトル:S(ω)2、撮像素子固有のノイズのパワースペクトル:W(ω)2により、次式:
(A) R(ω)=H(ω)*/[|H(ω)|2+{S(ω)2/W(ω)2}]
により定義される。
The image processing filter: R (ω) is obtained by OTF of the imaging optical system: H (ω), power spectrum of the imaging object: S (ω) 2 , and power spectrum of noise peculiar to the imaging element: W (ω) 2 The following formula:
(A) R (ω) = H (ω) * / [| H (ω) | 2 + {S (ω) 2 / W (ω) 2 }]
Defined by
そして、R(ω)、H(ω)、S(ω)2、W(ω)2により、次式:
(B) mse
=∫{|1-R(ω)H(ω)|2・|S(ω)|2+|R(ω)|2・|W(ω)|2}dω
で定義されるmseの、被写界深度内の被写体距離の最大値、中間値、最小値における値の平均値:MSEが、条件:
(4) MSE<0.13
を満足する。
And R (ω), H (ω), S (ω) 2 , W (ω) 2 , the following formula:
(B) mse
= ∫ {| 1-R (ω) H (ω) | 2 · | S (ω) | 2 + | R (ω) | 2 · | W (ω) | 2 } dω
The average value of the maximum, intermediate, and minimum values of the subject distance within the depth of field of mse defined by: MSE is the condition:
(4) MSE <0.13
Satisfied.
また、画像処理フィルタ:R(ω)の全周波数に対する平均値であるフィルタゲイン:FGが、条件:
(5) FG<3.8
を満足する。
Further, the filter gain: FG which is an average value for all frequencies of the image processing filter: R (ω) is a condition:
(5) FG <3.8
Satisfied.
撮像光学系の結像光学系は開口絞り204を有し、位相変調面を有する位相板203は、開口絞り204に近接もしくは当接して配置され、開口絞りの半径が、非球面の最外周の半径:hmと略等しい。
The imaging optical system of the imaging optical system has an
また、実施例1〜4に記載された撮像光学系の結像光学系は、物体側から像側へ向かって順に、正の第1レンズL1、正の第2レンズL2、負の第3レンズL3、開口絞り204、負の第4レンズL4、正の第5レンズL5、正の第6レンズL6を配してなる。
The imaging optical system of the imaging optical system described in Examples 1 to 4 includes a positive first lens L1, a positive second lens L2, and a negative third lens in order from the object side to the image side. L3, an
位相板203は、開口絞り204の物体側に、開口絞りに近接して配置される。
The
201 撮像対象物(被写体)
202 結像光学系
203 位相板
204 開口絞り
205 撮像素子
206 画像処理部
L1 正の第1レンズ
L2 正の第2レンズ
L3 負の第3レンズ
S 開口絞り
L4 負の第4レンズ
L5 正の第5レンズ
L6 正の第6レンズ
201 Object to be imaged (subject)
202 Imaging optical system
203 Phase plate
204 Aperture stop
205 Image sensor
206 Image processing unit
L1 positive first lens
L2 positive second lens
L3 negative third lens
S Aperture stop
L4 negative fourth lens
L5 positive fifth lens
L6 positive sixth lens
Claims (9)
該撮像光学系による前記撮像対象物の像を撮像する撮像素子と、
該撮像素子から出力される画像データに対する画像処理を行う画像処理部と、を有する撮像システムにおいて、
撮像光学系は、撮像対象物を結像する結像光学系と、該結像光学系内に付加されて、焦点深度を拡大するために、前記結像光学系の球面収差を増大する位相板を有し、
前記画像処理部は、前記撮像光学系により撮像された、球面収差が増大した画像データに対して復元処理を行うものであり、
前記位相板は、一方の面が平面で、他方の面が、前記結像光学系の光軸に対する回転対称で非球面形状の位相変調面を有し、
前記位相変調面の非球面形状は、
非球面量:Z、回転対称軸からの距離:h、正規化基準円半径:H、n次の非球面係数:anにより、式:
Z=Σan(|h/H|)n (和はnについて、n=2からn=Nまで取る)
により表される非球面形状において、
Z―a2(|h/H|)2
が、h=0から外周側へ向かって単調変化し、
最外周の半径:hmに対し、h=0から0.75hmの位置の非球面量:Z0.75と、h=0における非球面量:Z0との比が、条件:
(1) 0.55≦Z0.75/Z0≦0.67
を満足することを特徴とする撮像システム。 An imaging optical system for imaging an imaging object;
An image sensor that captures an image of the object to be imaged by the imaging optical system;
In an imaging system having an image processing unit that performs image processing on image data output from the imaging device,
An imaging optical system includes an imaging optical system that forms an image of an imaging object, and a phase plate that is added to the imaging optical system and increases the spherical aberration of the imaging optical system in order to increase the depth of focus. Have
The image processing unit performs a restoration process on image data imaged by the imaging optical system and having increased spherical aberration,
The phase plate has one surface being a plane and the other surface having a rotationally symmetric and aspherical phase modulation surface with respect to the optical axis of the imaging optical system,
The aspherical shape of the phase modulation surface is
Aspherical amount: Z, the distance from the axis of rotational symmetry: h, normalized reference circle radius: H, n order aspheric coefficients: by a n, wherein:
Z = Σa n (| h / H |) n (sum takes n = 2 to n = N for n)
In the aspheric shape represented by
Z-a 2 (| h / H |) 2
Changes monotonically from h = 0 toward the outer periphery,
Outermost radius to h m, aspherical amount of the position of 0.75 h m from h = 0: and Z 0.75, the aspherical amount at h = 0: the ratio of the Z 0 is the condition:
(1) 0.55 ≦ Z 0.75 / Z 0 ≦ 0.67
An imaging system characterized by satisfying
位相変調面の非球面形状において、非球面の最外周の半径:hmに対し、h=0から0.5hmの位置の非球面量:Z0.5と、h=0における非球面量:Z0との比が、条件:
(2) 0.85≦Z0.5/Z0≦0.94
を満足することを特徴とする撮像システム。 The imaging system according to claim 1.
In the aspherical surface shape of the phase modulation surface, aspherical outermost radius to h m, aspherical amount of the position of 0.5h m from h = 0: and Z 0.5, aspherical amount at h = 0 : the ratio of the Z 0 is, conditions:
(2) 0.85 ≦ Z 0.5 / Z 0 ≦ 0.94
An imaging system characterized by satisfying
該撮像光学系による前記撮像対象物の像を撮像する撮像素子と、
該撮像素子から出力される画像データに対する画像処理を行う画像処理部と、を有する撮像システムにおいて、
撮像光学系は、撮像対象物を結像する結像光学系と、該結像光学系内に付加されて、焦点深度を拡大するために、前記結像光学系の球面収差を増大する位相板を有し、
前記位相板は、一方の面が平面で、他方の面が、前記結像光学系の光軸に対する回転対称で非球面形状の位相変調面を有し、
前記画像処理部は、撮像光学系により撮像された、球面収差が増大した画像に対し、画像処理フィルタ:R(ω)に基づいて復元処理を行うものであり、
前記画像処理フィルタ:R(ω)は、撮像光学系のOTF:H(ω)、撮像対象物のパワースペクトル:S(ω)2、撮像素子固有のノイズのパワースペクトル:W(ω)2により、次式:(A)
(A) R(ω)=H(ω)*/[|H(ω)|2+{S(ω)2/W(ω)2}]
により定義されるものであり、
前記R(ω)、H(ω)、S(ω)2、W(ω)2により、次式:(B)
(B) mse
=∫{|1-R(ω)H(ω)|2・|S(ω)|2+|R(ω)|2・|W(ω)|2}dω
で定義されるmseの、被写界深度内の被写体距離の最大値、中間値、最小値における値の平均値:MSEが、条件:
(4) MSE<0.13
を満足することを特徴とする撮像システム。 An imaging optical system for imaging an imaging object;
An image sensor that captures an image of the object to be imaged by the imaging optical system;
In an imaging system having an image processing unit that performs image processing on image data output from the imaging device,
An imaging optical system includes an imaging optical system that forms an image of an imaging object, and a phase plate that is added to the imaging optical system and increases the spherical aberration of the imaging optical system in order to increase the depth of focus. Have
The phase plate has one surface being a plane and the other surface having a rotationally symmetric and aspherical phase modulation surface with respect to the optical axis of the imaging optical system,
The image processing unit performs a restoration process based on an image processing filter: R (ω) on an image captured by an imaging optical system and having an increased spherical aberration,
The image processing filter: R (ω) is obtained by OTF of the imaging optical system: H (ω), power spectrum of the imaging object: S (ω) 2 , and power spectrum of noise peculiar to the imaging device: W (ω) 2 The following formula: (A)
(A) R (ω) = H (ω) * / [| H (ω) | 2 + {S (ω) 2 / W (ω) 2 }]
Is defined by
By the R (ω), H (ω), S (ω) 2 , W (ω) 2 , the following formula: (B)
(B) mse
= ∫ {| 1-R (ω) H (ω) | 2 · | S (ω) | 2 + | R (ω) | 2 · | W (ω) | 2 } dω
The average value of the maximum, intermediate, and minimum values of the subject distance within the depth of field of mse defined by: MSE is the condition:
(4) MSE <0.13
An imaging system characterized by satisfying
画像処理フィルタ:R(ω)の全周波数に対する平均値であるフィルタゲイン:FGが、条件:
(5) FG<3.8
を満足することを特徴とする撮像システム。 The imaging system according to claim 3.
Image processing filter: Filter gain: FG which is an average value for all frequencies of R (ω) is:
(5) FG <3.8
An imaging system characterized by satisfying
位相板の位相変調面の非球面形状は、
非球面量:Z、回転対称軸からの距離:h、正規化基準円半径:H、n次の非球面係数:anにより、式:
Z=Σan(|h/H|)n (和はnについて、n=2からn=Nまで取る)
により表される非球面形状において、
Z―a2(|h/H|)2
が、h=0から外周側へ向かって単調変化し、
最外周の半径:hmに対し、h=0から0.75hmの位置の非球面量:Z0.75と、h=0における非球面量:Z0との比が、条件:
(1) 0.55≦Z0.75/Z≦0.67
を満足することを特徴とする撮像システム。 The imaging system according to claim 3 or 4,
The aspherical shape of the phase modulation surface of the phase plate is
Aspherical amount: Z, the distance from the axis of rotational symmetry: h, normalized reference circle radius: H, n order aspheric coefficients: by a n, wherein:
Z = Σa n (| h / H |) n (sum takes n = 2 to n = N for n)
In the aspheric shape represented by
Z-a 2 (| h / H |) 2
Changes monotonically from h = 0 toward the outer periphery,
Outermost radius to h m, aspherical amount of the position of 0.75 h m from h = 0: and Z 0.75, the aspherical amount at h = 0: the ratio of the Z 0 is the condition:
(1) 0.55 ≦ Z 0.75 /Z≦0.67
An imaging system characterized by satisfying
位相変調面の非球面形状において、非球面の最外周の半径:hmに対し、h=0から0.5hmの位置の非球面量:Z0.5と、h=0における非球面量:Z0との比が、条件:
(2) 0.85≦Z0.5/Z≦0.94
を満足することを特徴とする撮像システム。 The imaging system according to claim 5, wherein
In the aspherical surface shape of the phase modulation surface, aspherical outermost radius to h m, aspherical amount of the position of 0.5h m from h = 0: and Z 0.5, aspherical amount at h = 0 : the ratio of the Z 0 is, conditions:
(2) 0.85 ≦ Z 0.5 /Z≦0.94
An imaging system characterized by satisfying
結像光学系が開口絞りを有し、
位相変調面を有する位相板は、前記開口絞りに近接もしくは当接して配置され、前記開口絞りの半径が、前記非球面の最外周の半径:hmと略等しいことを特徴とする撮像システム。 In the imaging system according to claim 1 or 2 or 5 or 6,
The imaging optical system has an aperture stop,
Imaging system substantially equal to a h m: a phase plate having a phase modulation surface, the is disposed close to or in contact with the aperture stop, the aperture stop radius, wherein the outermost aspheric radii.
結像光学系は、物体側から像側へ向かって順に、正の第1レンズ、正の第2レンズ、負の第3レンズ、開口絞り、負の第4レンズ、正の第5レンズ、正の第6レンズを配してなり、
位相板は、前記開口絞りの物体側に、開口絞りに近接して配置されることを特徴とする撮像システム。 The imaging system according to any one of claims 1 to 7,
The imaging optical system includes, in order from the object side to the image side, a positive first lens, a positive second lens, a negative third lens, an aperture stop, a negative fourth lens, a positive fifth lens, a positive lens No. 6 lens,
A phase plate is disposed on the object side of the aperture stop in the vicinity of the aperture stop.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013244407A JP2015102767A (en) | 2013-11-26 | 2013-11-26 | Imaging system, and phase plate |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013244407A JP2015102767A (en) | 2013-11-26 | 2013-11-26 | Imaging system, and phase plate |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2015102767A true JP2015102767A (en) | 2015-06-04 |
Family
ID=53378482
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013244407A Pending JP2015102767A (en) | 2013-11-26 | 2013-11-26 | Imaging system, and phase plate |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2015102767A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114488472A (en) * | 2020-10-28 | 2022-05-13 | 株式会社日立制作所 | Image pickup optical system, image pickup apparatus, and focal depth enlarging optical system |
CN115308894A (en) * | 2022-07-06 | 2022-11-08 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | Large focal depth microscopic imaging system and image restoration method |
-
2013
- 2013-11-26 JP JP2013244407A patent/JP2015102767A/en active Pending
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114488472A (en) * | 2020-10-28 | 2022-05-13 | 株式会社日立制作所 | Image pickup optical system, image pickup apparatus, and focal depth enlarging optical system |
JP2022071235A (en) * | 2020-10-28 | 2022-05-16 | 株式会社日立製作所 | Imaging optical system, imaging apparatus, and focal-depth extension optical system |
CN114488472B (en) * | 2020-10-28 | 2023-07-21 | 株式会社日立制作所 | Imaging optical system, imaging device, and focal depth expansion optical system |
JP7402781B2 (en) | 2020-10-28 | 2023-12-21 | 株式会社日立製作所 | Imaging optical system, imaging device, and depth of focus expansion optical system |
US11933993B2 (en) | 2020-10-28 | 2024-03-19 | Hitachi, Ltd. | Imaging optical system, imaging apparatus and focal-depth extension optical system |
CN115308894A (en) * | 2022-07-06 | 2022-11-08 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | Large focal depth microscopic imaging system and image restoration method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101610975B1 (en) | Single-lens extended depth-of-field imaging systems | |
US9025073B2 (en) | Compact camera optics | |
EP1978394A1 (en) | Optical system for increasing depth of field | |
EP2096483A1 (en) | Single-lens extended depth-of-field imaging systems | |
JP6033817B2 (en) | Imaging lens | |
US8416334B2 (en) | Thick single-lens extended depth-of-field imaging systems | |
EP2228677A1 (en) | Extended depth-of-field surveillance imaging system | |
US10194076B2 (en) | Optical system and photographing apparatus | |
JP4658162B2 (en) | Imaging apparatus and electronic apparatus | |
JP2015004883A (en) | Image forming optical system, imaging system, and imaging method | |
JP2012088691A (en) | Imaging lens, imaging apparatus, and information terminal apparatus | |
US8928780B2 (en) | Adjustment method, adjustment apparatus, method of manufacturing optical system, image pickup apparatus, and method of manufacturing image pickup apparatus | |
JP2015102767A (en) | Imaging system, and phase plate | |
WO2012132685A1 (en) | Focus extending optical system and imaging system | |
Fontbonne et al. | Experimental validation of hybrid optical–digital imaging system for extended depth-of-field based on co-optimized binary phase masks | |
JP2006094468A (en) | Imaging device and imaging method | |
JP6115350B2 (en) | Imaging apparatus, imaging method, and imaging optical system for imaging apparatus | |
JP2012132958A (en) | Imaging apparatus | |
JP2008211678A (en) | Imaging apparatus and method thereof | |
JP6554824B2 (en) | Depth of focus extended imaging optical system and imaging apparatus | |
CN109691082B (en) | Image processing device, image processing system, image processing method, and imaging optical system set | |
JP6221399B2 (en) | Imaging system, imaging optical system, and manufacturing method of imaging system | |
JP6351453B2 (en) | Reader | |
JP2009139698A (en) | Imaging system, imaging apparatus, portable terminal apparatus, in-vehicle apparatus and medical apparatus with imaging system | |
JP2011112968A (en) | Imaging device |