JP2016039471A

JP2016039471A - コンバージョンレンズユニットおよび撮像システム

Info

Publication number: JP2016039471A
Application number: JP2014161159A
Authority: JP
Inventors: 大坪　宏安; Hiroyasu Otsubo; 宏安大坪
Original assignee: Hitachi Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Holdings Ltd
Priority date: 2014-08-07
Filing date: 2014-08-07
Publication date: 2016-03-22

Abstract

【課題】ＷＦＣ等の被写界深度拡大方法用の位相フィルタを用いた撮影と、用いない撮影を容易に切り替え可能で、かつ、小型化を図ることができるコンバージョンレンズユニットおよび撮像システムを提供する。
【解決手段】コンバージョンレンズユニット１０は、撮像素子６と、当該撮像素子６上に像を形成するためのレンズ７とを備える撮像装置５のレンズ７部分に着脱可能に取り付けられる。コンバージョンレンズユニット１０は、撮像装置５のレンズ７と結合するコンバージョンレンズ１１と、撮像装置５のレンズ７とコンバージョンレンズ１１からなる結像光学系で撮像素子６に撮影される画像データの被写界深度の拡大を可能にする位相フィルタ１２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、単焦点カメラ等のカメラに後付けされて焦点距離や画角等を変更するコンバージョンレンズユニットと、このコンバージョンレンズユニットを備える撮像システムに関する。

カメラでは、接写用のマクロレンズが知られている。基本的に被写体を近距離から大きく撮影するためのものであり、例えば、比較的小さな花や葉等の植物や昆虫や爬虫類等の小動物を拡大して撮影したり、切手、コイン、書類等を拡大して撮影したりする際に用いられる。また、接写として、人の顔や、その他の部分の肌や頭皮等を拡大撮影して、肌の状態を分析する際にもマクロレンズが用いられる。

ここでマクロ撮影の特徴としては、被写界深度が浅いことが挙げられる。例えば、観賞用に花を撮影するような場合に、マクロレンズに近い側の花びらにピント（焦点）を合わせると、遠い側の花びらがぼけた状態となり、撮影者の作画意図に対応した撮影が可能になる。すなわち、作品としての画像の撮影の場合には、ぼけを活かして花をより美しく見せることが可能になる。
しかし、上述のような肌の撮影や、標本的な意味合いで植物や小動物や切手等を撮影する場合には、被写体となる肌や花や虫全体にピントが合っていることが好ましい場合があるが、マクロレンズでは、上述のように被写界深度が浅いので、マクロレンズのスペックと、被写体の形状にもよるが、被写体全体に焦点を合わせることが難しい。例えば、肌や頭皮の撮影を行うため２０〜５０ｍｍ程度の接写を行う場合に、被写界深度は、例えば、０．５ｍｍ程度となる。

上述の肌の場合には、レンズ部分に先端が肌に当接するフードがあり、これを肌に当てることにより被写体と撮像素子（またはレンズ）との距離が決まることと、一般に肌の比較的平坦な部分を撮影することから肌がぼけないで撮影できる可能性があるが、平坦でない部分を撮影する場合や、上述のフードを肌に強く押し付けて撮影した場合などに肌の一部がぼけて撮影されてしまう。フードを肌に強く押し付けると、撮影範囲となるフードの内側部分において、フードの内周縁に沿った肌の部分が凹み、フード内の肌の中央部分が膨出した状態となり、例えば、撮影範囲の中央部の膨出した部分かぼけてしまう虞がある。

それに対して、被写界深度を拡大する技術がいくつか知られており、その１つとして、ＷＦＣ（ＷＡＶＥ・Ｆｒｏｎｔ・Ｃｏｄｉｎｇ）が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。特許文献１には、以下のような記載がある。すなわち、結像光学系の瞳面付近に光波面変換素子を配置することにより結像光学系の光束を所定方向（ｘ軸方向およびｙ軸方向）へと規則的に分散させる。この場合、撮像面と共役な距離にある物体を含めて全ての距離の物体像にぼけは含まれるものの、デフォーカス面（撮像面の共役面から外れた面）に位置する点の像のぼけ量は、フォーカス面（撮像面の共役面）に位置する点の像のぼけ量に近づけられる（デフォーカス面のＭＴＦがフォーカス面のＭＴＦに近づけられる。）。

つまり、この光波面変換素子には、デフォーカスに起因した結像光学系のＭＴＦの劣化を減じ、ＭＴＦ値が零以下となるデフォーカス範囲を広げるという機能がある。このような光波面変換素子によると、結像光学系の単体では伝達できなかった、デフォーカス面の微細構造を、結像光学系の像面へ伝達させることができる。また、この結像光学系が光波面変換素子と共に生成した画像を、光波面変換素子の位相変化量分布に基づきデジタル処理すれば、被写界深度の拡張された画像が得られる。このデジタル処理は、ＭＴＦ値が零以下となるデフォーカス範囲が広げられたことを利用して、実質的なＭＴＦ値を嵩上げするものである。
なお、ＭＴＦ（ＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＴｒａｎｓｆｅｒＦｕｎｃｔｉｏｎ）は
、レンズ性能を評価する指標の１つで、レンズの結像性能を知るために、被写体の持つコントラストをどの程度忠実に再現できるかを空間周波数特性として表現したものである。

このようなＷＦＣを応用した撮影では、カメラのレンズ系に例えば位相変換素子としての位相フィルタを配置してカメラの撮像素子で撮影を行う。カメラのレンズ系に位相フィルタを挿入して撮影すると一般に結像特性は悪化し、撮像素子で撮影された画像は劣化する。この劣化の仕方が焦点はずれ（デフォーカス）量を変えても変化しないような位相フィルタを用いることにより、このデジタル画像にデジタル画像処理として、位相フィルタのデコンボリューション演算（逆演算：逆フィルタ）行うことにより被写界深度が拡張され、撮像素子からの距離が異なる部分がある被写体全体にピントがあった画像を得ることができる。例えば、被写体としての花全体にピントが合ったデジタル画像を得ることができる。また、特許文献２には、位相フィルタを用いて撮影された画像に、点像分布関数（ＰＳＦ：ＰｏｉｎｔＳｐｒｅａｄＦｕｎｃｔｉｏｎ）を用いたデジタル処理を施すことにより、被写体の画像を復元することが記載されている。

また、接写には、コンバージョンレンズが用いられる場合がある。コンバージョンレンズは、交換用レンズと異なり、カメラのレンズを全て交換するのではなく、カメラのレンズ（マスターレンズ）に結合するようにさらにレンズを取り付けるものである。

一般にカメラのレンズに取り付けられるコンバージョンレンズには、元のレンズ（マスターレンズ）の焦点距離を広角側にするものや、望遠側にするものや、接写（マクロ撮影）を可能にするものなどが知られている。但し、撮影にフィルムを用いるカメラの場合に、レンズを通した画像が視認できる一眼レフカメラ以外では、ファインダを覗いても、コンバージョンレンズによる画像の変化を確認できないことからあまり一般的ではなかった。

モニタを備えるデジタルカメラでは、一眼レフカメラでなくともコンバージョンレンズを通った被写体の画像をモニタで確認することができることから、実用性の高いものとなる。例えば、スマートフォン等の携帯電話では、撮影された画像データを容易に無線で各種サーバー等に送信することができるので、例えば、マクロレンズとしてのコンバージョンレンズをスマートフォンに装着して肌を撮影した後に、この画像を用いて肌の分析を行うサービスを行っている企業等のサーバーに撮影された画像データを送信することができる。

特開２０１２−２５３６０２号公報特開２０１２−１０９８２６号公報

ところで、レンズ系に位相フィルタを配置したカメラで撮影を行った場合に、撮影された画像にデジタル画像処理を施して復元しないとぼけた画像しか得られないことになる。また、位相フィルタを配置したカメラで撮影された画像に画像処理を施すと、被写界深度が深くぼけの少ない画像が得られることになる。

一般的なカメラの場合に、撮影者の作画意図として、ぼけを用いる場合もあり、位相フィルタをカメラのレンズ系に組み込でしまうと画像をうまくぼかすことができず問題がある。
また、マクロ撮影用のコンバージョンレンズでは、被写界深度を深くするために、コンバージョンレンズとマスターレンズとの間の距離を長めにしている場合がある。この場合に、コンバージョンレンズの必要なレンズ径が大きくなり、コンバージョンレンズをコンパクトにできない。また、レンズ径が大きくなると、レンズの製造コストが高くなるとともに、例えば、レンズにＡＲコートを施すような場合にコートする面積が大きくなり、コスト増となる。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、ＷＦＣ等の被写界深度拡大方法用の位相フィルタを用いた撮影と、用いない撮影を容易に切り替え可能で、かつ、小型化を図ることができるコンバージョンレンズユニットおよび撮像システムを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明のコンバージョンレンズユニットは、撮像素子と、当該撮像素子上に像を形成するためのレンズとを備える撮像装置の前記レンズ部分に着脱可能に取り付けられるコンバージョンレンズユニットであって、
前記撮像装置の前記レンズと結合するコンバージョンレンズと、
前記撮像装置の前記レンズと前記コンバージョンレンズからなる結像光学系で前記撮像素子に撮影される画像データの被写界深度の拡大を可能にする位相フィルタとを備えることを特徴とする。

このような構成によれば、上述のＷＦＣ等の被写界深度拡大方法に用いられる位相フィルタが結合レンズ系において、コンバージョンレンズ側に設けられているので、位相フィルタをコンバージョンレンズと共に、撮像装置に着脱することが可能になる。
したがって、コンバージョンレンズを用いた場合は、位相フィルタによりデジタル画像処理による復元処理の前の画像が位相フィルタによりぼけることになるが、コンバージョンレンズを外せば、位相フィルタに基づくぼけが生じないことになる。

したがって、撮像装置にコンバージョンレンズを取り付けた場合に、コンバージョンレンズの機能、例えば、焦点距離を広角側や某縁側に変更したり、マクロ撮影を可能にしたりするとともに、被写界深度の拡大が可能になる。また、位相フィルタは、撮像装置のレンズとコンバージョンレンズとからなる結合光学系において、コンバージョンレンズユニと側の瞳面またはその近傍に配置することができる。

なお、位相フィルタを用いて撮影された画像データへのデジタル画像処理は、撮像装置に設けられた画像処理装置に予め登録されたプログラムを選択することにより可能としても良いし、撮像装置からコンバージョンレンズを用いて撮影された画像データを撮像装置の外部で画像処理してもよい。この場合に撮像装置を直接外部の画像処理装置に接続してもよいし、撮像装置のメモリカードを介して画像データを画像処理装置に出力してもよい。画像処理装置としては、画像処理用のアプリケーション（プログラム）がインストールされたパソコン、スマートフォン、タブレット等の演算処理機能を有する電子機器を用いることができる。このような構成とすれば、所定の機種専用のコンバージョンレンズユニットだけでなく、汎用のコンバージョンレンズユニットにも本発明を容易に適用できる。また、撮像装置は、パソコン、スマートフォン、タブレットに内蔵されるカメラであってもよい。この場合も被写界深度拡大のための画像処理をパソコン、スマートフォン、タブレット等の電子機器で行うことができる。

本発明の戦記構成において、前記コンバージョンレンズがマクロ撮影用であることが好ましい。

このような構成によれば、被写界深度が浅くなるマクロ撮影において、被写界深度を深くして、例えば、被写体全体にピントを合わせることが可能になり、観察や分析のための撮影時に明瞭な画像を得ることができる。また、マクロ撮影用のコンバージョンレンズを撮像装置のレンズに近づけても必要な被写界深度を確保できるので、コンバージョンレンズを撮像装置のレンズに近づけた設計として、コンバージョンレンズの小径化を図り、コンバージョンレンズユニットのダウンサイジングと、低コスト化を図ることができる。

本発明の撮像システムは、撮像素子と、当該撮像素子上に像を形成するためのレンズとを備える撮像装置と、前記撮像装置の前記レンズ部分に着脱可能に取り付けられるコンバージョンレンズユニットとを備える撮像システムであって、
前記コンバージョンレンズユニットは、
前記撮像装置の前記レンズと結合するコンバージョンレンズと、
前記撮像装置の前記レンズと前記コンバージョンレンズからなる結像光学系で前記撮像素子に撮影される画像の被写界深度の拡大を可能にする位相フィルタとを備え、
前記コンバージョンレンズユニットを用いて前記撮像装置の前記撮像素子で撮像された画像データに被写界深度を拡大するための画像処理を施す画像処理手段を有することを特徴とする。

このような構成によれば、請求項１に記載のコンバージョンレンズと同様の作用効果を得ることができる。なお、画像処理手段は、撮像装置に設けても、撮像装置の外部に設けてもよいし、インターネット等のネットワークを介して撮像装置に接続されてもよい。

本発明の前記構成において、アプリケーションを記憶する記憶装置と、当該アプリケーションを実行可能な演算処理装置を備える携帯型電子機器に前記撮像装置が設けられ、
前記記憶装置には、前記画像処理手段として機能する被写界深度拡大アプリケーションが記憶され、前記被写界深度拡大アプリケーションを実行することにより前記コンバージョンレンズユニットを用いて前記撮像素子で撮影された画像データから被写界深度が拡大された画像データを生成することが好ましい。

このような電子機器に内蔵された撮像装置に本発明のコンバージョンレンズユニットが取り付けられる場合に、電子機器の各機種に対して汎用のコンバージョンレンズユニットと一緒に被写界深度拡大用のアプリケーションを販売するものとすれば、電子機器の機種に関わらず、被写界深度を拡大可能とする位相フィルタを備えたコンバージョンレンズユニットを適用することができる。

本発明のコンバージョンレンズユニットおよび撮像システムによれば、撮像装置において、位相フィルタを用いて被写界深度を拡大する状態と、位相フィルタを用いない通常の状態とをコンバージョンレンズの着脱で容易に切り替えることができる。また、コンバージョンレンズユニットの小型化と低コスト化を図ることができる。

本実施の形態のコンバージョンレンズユニットと撮像装置とを備える撮像システムの概略を示すブロック図である。同、撮像システムにおける撮像光学系の概略を示す概略図である。同、撮像システムのコンバージョンレンズユニットの位相フィルタを示す正面図である。同、撮像システムの位相フィルタを示す断面図である。同、撮像システムの撮像光学系を説明するためのアキシコンの光学系を示す概略図である。同、撮像システムの位相フィルタを説明するためのグラフである。同、撮像システムの位相フィルタを用いた撮影後のデコンボリューションを説明するための図である。同、撮像システムの別の位相フィルタを示す正面図である。同、撮像システムの別の位相フィルタを示す断面図である。同、撮像システムのさらに別の位相フィルタを示す正面図である。同、撮像システムのさらに別の位相フィルタを示す断面図である。同、撮像システムにおけるデコンボリューション画像処理の前処理を説明するためのフローチャートである。同、撮像システムにおけるデコンボリューション画像処理の別の前処理を説明するためのフローチャートである。同、撮像システムの撮像装置のフードにより規制された撮影範囲を示す図である。同、撮像システムの撮像装置の別のフードにより規制された撮影範囲を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
この実施の形態の撮像システムは、携帯電話（携帯型電子機器）であるスマートフォン１と、当該スマートフォン１に着脱可能なコンバージョンレンズユニット１０とを備える。

スマートフォン１は、ＳｏＣ（ＳｙｓｔｅｍＯＮａＣｈｉｐ）としての演算処理装置２と、ＳｏＣに設けられた携帯電話網用の通信装置３と、データを記憶する記憶装置４と、スマートフォン１に内蔵されたカメラである撮像装置５と、撮像装置５に設けられた撮像素子６と、撮像装置５に設けられ、撮像素子６上に像を形成するレンズ７と、テキスト、画像、動画等のデータを表示可能なモニタ８とを備える。

スマートフォン１は、通信装置３を介して携帯電話回線網を用いて通信する携帯電話とし機能し、インターネットにアクセス可能で、インターネットを介してデータ通信可能となっている。なお、通信装置３には、無線ＬＡＮに接続するＷｉＦｉ機能が設けられていてもよい。また、スマートフォン１は、撮像装置５を有して静止画および動画等の画像を撮影可能で、さらに撮影された画像データを記憶装置４に記憶可能で、かつ、通信装置３を介してインターネットに接続されたサーバーに撮影された画像データをアップロード可能になっている。また、スマートフォン１は、ダウロードして記憶装置４に記憶されたアプリケーションを実行可能な一般的なものを用いることができる。撮像装置５の撮像素子６は、例えば、ＣＣＤイメージセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサである。

また、前記アプリケーションとしては、後述の位相フィルタ１２を用いて撮像装置５で撮影されて記憶装置４に記憶された画像データを復元して被写界深度の拡大を行う画像処理として、デコンボリューション前処理、デコンボリューション画像処理を行う被写界深度拡大アプリケーションが記憶されている。演算処理装置２（画像処理手段）は、この被写界深度拡大アプリケーションを起動し、位相フィルタ１２を有するコンバージョンレンズユニット１０を用いて撮影されて記憶された画像データに対して、被写界深度を拡大するためデコンボリューション画像処理を行うことが可能になっている。

コンバージョンレンズユニット１０は、各種スマートフォン１に取り付け可能な汎用のものであり、コンバージョンレンズ１１と、被写界深度拡大方法としてのＷＦＣ等で使用される位相フィルタ１２とを備えるものである。また、コンバージョンレンズユニット１０は、コンバージョンレンズ１１および位相フィルタ１２を固定して支持する鏡筒１４と、鏡筒１４の前側に設けられた筒状のフード１５とを備える。

本実施の形態では、コンバージョンレンズ１１として、肌（被写体２０）の状態を撮影する場合に、肌にフード１５の先端面を当接して撮影するようになっている。フード１５の先端面には、所定形状、例えば、後述のように正方形や円形の開口が形成されている。撮影時には、この開口により撮影範囲が規制され、開口内の肌が撮影されるようになっている。

図１において、撮像装置５のレンズ７と、コンバージョンレンズ１１を１つずつ図示したが、実際には、レンズ７およびコンバージョンレンズ１１は、それぞれ複数のレンズを組み合わせた構造となっている。

位相フィルタ１２は、ＷＦＣで用いられる位相フィルタ（位相板：位相変換素子）を用いることができ、コンバージョンレンズ１１とレンズ７とからなる結合光学系のコンバージョンレンズユニット１０側の瞳面またはその近傍に配置される。なお、図１において、位相フィルタ１２をコンバージョンレンズ１１の被写体２０側に配置したが、撮像装置５側に配置してもよい。
本実施の形態において、位相フィルタ１２としては、例えば、図２〜図４に示すように、光軸に対して回転対称な輪帯構造１１０を備え、各輪帯１１１が入射光束を焦点面上で一様に拡大し、相互にオーバーラップさせる略放物断面形状を有している位相フィルタ１０１を用いる。輪帯１１１は、入射光束に対して瞳面の半径方向に凹レンズとして作用する凹面１１２を備えている。

なお、図２は位相フィルタ１０１とそれを搭載した撮像光学系１５０の模式図であり、図３は位相フィルタ１０１の構造を示す正面図であり、図４は同じく側断面図である。また、図２にて示す撮像光学系１５０が含む、位相フィルタ１０１および結像レンズ１０２はいずれも側断面の形状を示したものとなっているとともに、結像レンズ１０２は、コンバージョンレンズ１１とレンズ７とを合わせたものを１つのレンズとして図示したものであり、実際にはそれぞれ複数のレンズからなる。

図２〜４にて示すように、位相フィルタ１０１は、外形が円盤状で光軸１００を中心とした回転対称な形状となっている。また、この位相フィルタ１０１は、放物線状の断面形状を有する溝すなわち凹面１１２が、上述の光軸１００を中心に同心円状に略等間隔で複数列形成されている。このように光軸１００を中心に同心円状に形成された凹面１１２を上述の輪帯１１１とし、輪帯１１１らを上述の輪帯構造１１０と総称する。図２〜４にて示す位相フィルタ１０１の例では、２列の輪帯１１１からなる輪帯構造１１０を有している。輪帯１１１は当該輪帯１１１に入射する光線に対して瞳面の半径方向に凹レンズとして作用する凹面１１２となる。なお、ここで示す位相フィルタ１０１における輪帯１１１の幅は各輪帯間で等しいものとなっている。

撮像光学系１５０においては、上述の位相フィルタ１０１と光軸１００を共通にするよう、結像レンズ１０２が配置されている。この結像レンズ１０２は位相フィルタ１０１が無い場合、物体空間の像を光軸１００上の所定位置に結像させることができるレンズであり、上述のように撮像装置５のレンズ７と、このレンズ７に結合されるコンバージョンレンズ１１とからなる。こうした結像レンズ１０２のコンバージョンレンズユニット１０側に位相フィルタ１０１を組み合わせた構成で撮像光学系１５０をなすことで、位相フィルタ１０１に入射する光線１０３（入射光束）は、上述した凹面１１２によって屈折され、局所的に発散光となる。この発散光が結像レンズ１０２によって（紙面上）局所的に略平行な光束となるように、位相フィルタ１０１における凹面１１２の曲率は設定されている。局所的に略平行とは、各凹面１１２を通過した凹面１１２毎の光線が、結像レンズ１０２の通過後に略平行となっている状態を指す。

この局所的な略平行光束の伝播方向は輪帯１１１の中心を通る光線１０５の屈折方向に沿って元の焦点位置１０６に向かう。なぜなら輪帯１１１の中心での凹面１１２（放物断面）に対する仮想的な接平面は、結像レンズ１０２の光軸１００に垂直であり、そこを通る光線は位相フィルタ１０１で屈折せずに結像レンズ１０２に入射するため、その光線は位相フィルタ１０１がない場合の焦点位置１０６を通ることが明らかであるからである。このように複数の輪帯１１１からの略平行光束が焦点位置１０６の近傍において光軸方向に範囲１０４でオーバーラップする。説明の便宜上、上記では各輪帯１１１からの、発散し結像レンズ１０２によって屈折された光束を、略平行光束と述べたが、実際には光軸１００を中心に回転対称であるから、実際の伝播形態は円錐の側面に沿って伝播するような光束である。

このような光束は、図５に示すアキシコン２０１による屈折光線と同様の光束となる。アキシコン２０１は、第１面が平面たる底面２０２であり、第２面が円錐になっている円錐レンズ（ｃｏｎｉｃａｌｌｅｎｓ）であり、アキシコンプリズムとも呼ばれている。図５は、こうしたアキシコン２０１の側断面と光軸２００、入射する平行光束２０３の関係を模式的に示している。アキシコン２０１の底面２０２から入射する平行光束２０３は、傾斜するアキシコン２０１の側面２０４で屈折し、仮想的な円錐面に沿うような光路で一様に収束される。両側から角度を持って入射する光束２０３が、図中、ひし形状にオーバーラップする範囲２０６では、円錐を２つ、その底面を互いに対向させて貼り合わせたような領域２０５が形成される（図５では、該当領域を明示する意図で着色して示している）。この領域２０５内では光軸方向の範囲２０６において非回折ビームが形成される。上述した図２の位相フィルタ１０１における各輪帯１１１からの光束は、図５に例示するアキシコン２０１の光束が、異なる角度で複数オーバーラップすることに対応し、複数の非回折ビームが重なり合って点像分布の焦点方向への平滑化が達成される。

上述した位相フィルタ１０１を採用した際の焦点深度拡大効果を確認するシミュレーションについて説明する。図６は、位相フィルタ１０１における放物断面（すなわち凹面１１２）の形状を定式化するための模式図である。この図では、横軸が瞳面の半径座標、縦軸が位相フィルタ１０１の形状を示している。また、ここで表示しているのは１周期だけであり、半径０の光軸位置に先鋭な頂点を持つ場合をｅｖｅｎ、放物線の底が光軸上になる場合をｏｄｄと表示している。放物断面の深さはｄである。この形状が半径方向に周期ｐで反復される。

ここでｒｎはｎ番目の輪帯１１１の半径であり、撮像光学系１５０の瞳半径に相当する。このような輪帯構造１１０は、輪帯１１１の幅と位相差が全て等しい輪帯構造１１０となる。

上述したように、位相フィルタ１０１において輪帯１１１の断面形状は放物断面形状であるとしているが、これは必ずしも局所的な半径座標に対して２次関数で断面形状が記述されることに限定するものではない。例えば円形や楕円形の断面であってもよい。いずれも輪帯１１１の断面の頂点の近傍では半径に対する２次の展開項が支配的であることから放物断面と述べているものである。

次にデコンボリューション画像処理について説明する。図７に示すように焦点距離ｆの結像光学系５００により、距離ｄ０に光強度分布Ｏ（ｘ０、ｙ０）で与えられる物体があり、その光学像強度分布Ｉ（ｘ、ｙ）が、図中の結像公式に基づいて距離ｄの位置に結像されているとする。このとき、物体の光強度分布を点光源の集合と考えると、像Ｉ（ｘ，ｙ）を形成するのはその点光源の波動光学的な点像分布ＰＳＦ（ｘ、ｙ）の重ね合わせである。この点像分布は結像光学系５００の絞りの開口、すなわち瞳面の振幅透過率分布Ｐ（Ｘ，Ｙ）としたとき、

フーリエ変換は一般によく知られているように、物理量の時間や空間分布を、その周波数スペクトルに変換する演算である。この点像分布を、物体面の光強度分布の幾何学的写像Ｏ（ｘ、ｙ）に対して重畳して積分することにより、像面の強度分布は、

のように表せる。ここで＊はコンボリューション積分の演算を意味する。

さらにこの像面強度分布にフーリエ変換を施すことにより、

のように像面光強度分布の空間周波数スペクトルが物体面の空間周波数スペクトルと点像分布の空間周波数スペクトルの積であることが導ける。

点像分布の空間周波数スペクトルは光学伝達関数ＯＴＦと呼ばれ、

のように表せる。

この演算がデコンボリューションと呼ばれている。デコンボリューションは式の形からもわかるように、ＯＴＦがゼロにならないことが必要である。また像面内に異なる物体距離の像が混在する場合でも、それらの点像分布が焦点ずれによらず同一であれば、デコンボリューションで一様に理想光学像を得ることができる。

なお、位相フィルタ１２は、上述の位相フィルタ１０１に限られるものではない。
例えば、上述の位相フィルタ１０１では、輪帯幅（ピッチ）の等しい輪帯構造１１０の位相フィルタ１０１について説明したが、位相フィルタ１０１における輪帯１１１の幅が輪帯１１１間で等しい必要はない。図８は、輪帯１１１の幅が等しくない位相フィルタ１０１の構造を示す平面図であり、図９はこの位相フィルタ１０１の構造を示す側断面図である。
この位相フィルタ１０１における輪帯１１１の幅が、光軸１００から周縁部２５に向けて狭くなっている例について説明する。図８および図９に示す例では、周縁部２５に一番近い、すなわち最外周の輪帯１１１の幅１１５は、その内周の輪帯１１１の幅１１６より狭くなっている。また、この位相フィルタ１０１は、入射光束に対して瞳面の半径方向に凹レンズとして作用する凹面１１２を含む輪帯１１１と、凸レンズとして作用する凸面１１３を含む輪帯１１４とを交互に備えた輪帯構造１１０を有している。

こうした構造の位相フィルタ１０１は、位相フィルタ１０１の周縁部２５ほど輪帯１１１の幅が狭くなっている。このような構造を位相フィルタ１０１にて採用すると、各輪帯の寄与する面積を均一化することができ、製造ばらつきの影響を受けにくくなる。なお、位相差は全ての輪帯１１１で等しい輪帯構造１１０となっている。

なお、上述の最初の例の位相フィルタ１０１における輪帯１１１（凹レンズとして作用する輪帯）間、すなわち急峻で鋭い凸状の部位に入射する光束には、輪帯１１１による屈折作用が作用しない。一方、上述したように凹レンズとして作用する輪帯１１１と凸レンズとして作用する輪帯１１４とが交互に配置された位相フィルタ１０１においては、輪帯１１１の凹面１１２のうち輪帯１１４直近の領域に入射する光束も、輪帯１１４の凸レンズ作用によって所望の屈折をさせることが可能となる。こうした構造の位相フィルタ１０１であれば、上述したような急峻で鋭い凸状の部位が輪帯間に存在しないため、当該位相フィルタ１０１でのチッピングの発生を抑えることができる。

なお上記では便宜上、凹レンズの輪帯１１１と凸レンズの輪帯１１４と分けて説明したが、実際上は両方が一体となった領域を１つの輪帯として輪帯幅を定義している。

ここで、位相フィルタ１０１の凹面１１２の傾斜が大きいほど屈折光線の傾斜角が大きくなるのに対して、光軸１００の近傍でも周縁部２５でも凹面１１２の深さが同じである場合、光軸１００に近いほど光線が光軸１００と交わる点の変化が大きくなる。これは焦点深度拡大に対する寄与が光軸１００に近いほど大きく、周縁部２５ほど小さくなることに相当すると考えることができる。そこで、以下に周縁部２５ほど凹面１１２の深さが深くなる位相フィルタ１０１の例について説明する。なお、輪帯１１１における凹面１１２の深さは光軸１００から周縁部２５に向けて深くなるが、輪帯幅は全ての輪帯１１１で一定であるものとする。

図１０はこのような輪帯１１１によって凹面１１２の深さが異なる位相フィルタ１０１の構造を示す平面図であり、図１１はこの位相フィルタ１０１の構造を示す側断面図である。図１０、１１に示す例では、周縁部２５に一番近い、すなわち最外周の輪帯１１１における凹面１１２の深さ１１７は、その内周の輪帯１１１における凹面１１２の深さ１１８より深くなっている。また、この位相フィルタ１０１は、入射光束に対して瞳面の半径方向に凹レンズとして作用する凹面１１２を含む輪帯１１１と、凸レンズとして作用する凸面１１３を含む輪帯１１４とを交互に備えた輪帯構造１１０を有している。

こうした構造の位相フィルタ１０１における輪帯１１１の凹面１１２の深さが深いことに応じて光路差の変化が大きくなり、位相シフトの変化量も大きくなる。

さらに、位相フィルタ１２としては、輪帯１１１を備えないものであってもよく、例えば、ＷＦＣ用の位相フィルタ１２としては、瞳面内座標に対して３次関数に基づく位相分布を与えるＣＰＭ（ＣｕｂｉｃＰｈａｓｅＭａｓｋ）を用いることができる。また、ＬＰＭ（対数関数型位相板）、ＥＰＭ（指数関数型位相板）、ＦＰＭ（自由曲面型位相板）、ＲＰＭ（有理関数型位相板）等を用いることができる。

このようなコンバージョンレンズユニット１０を備えたスマートフォン１からなる撮像システムにおいては、例えば、上述のデコンボリューション画像処理を行うための被写界深度拡大アプリケーションに撮像装置５を制御して撮像を行わせる機能が備えられている。この被写界深度拡大アプリケーションを起動すると、モニタ８に撮像素子６で撮像された画像が表示される。コンバージョンレンズユニット１０を装着した状態では、コンバージョンレンズユニット１０と通過して結像された画像がモニタ８に表示される。

この場合にコンバージョンレンズユニット１０がマクロ撮影用であるため被写体２０にコンバージョンレンズユニット１０を近づけることにより、被写体２０が拡大した状態にモニタ８に表示される。この際に、デコンボリューション画像処理を行わずにモニタ８に撮像された画像が表示される場合に、画像はぼけた状態に表示される。なお、撮像素子６から出力される画像の全てに対してデコンボリューション画像処理を施すものとして、撮影前にモニタ８に映し出される動画状態の画像も被写界深度を拡大したものとしてもよい。

この状態で、静止画や動画を撮影する。なお、肌を被写体２０として撮影する場合には、コンバージョンレンズユニット１０のフード１５の先端面を肌に当接した状態で撮影を行う。図１４に示すように、フード１５の先端面には、例えば、正方形状の窓（開口部）２１が設けられており、この窓２１により被写体２０の撮影範囲が規制される。なお、窓２１の形状は正方形に限定されるものではなく、長方形であっても良いし、図１５に示すように円形の窓２２を設けるものとしてもよい。

ユーザの操作により画像が撮影されると、被写界深度拡大アプリケーションにより上述の式１０で示されるデコンボリューション画像処理が行われる。なお、Ｉ（ｘ、ｙ）が位相フィルタ１２を用いて撮影された入力画像となり、Ｏ（ｘ、ｙ）がデコンボリューション画像処理された出力画像となる。このデコンボリューション画像処理について、図１２のフローチャートを参照して説明する。この例では、演算量を減らすために、式１０ではなく、デコンボリューション画像処理の式１１に示す近似式を用いてデコンボリューション画像処理を行う。

Ａは、上述の式１０の近似のデコンボリューションマトリクス（行列）である。なお、Ａで示されるマトリクスは有限のマトリクスである。デコンボリューション画像処理は、上述のように前処理を伴うものであり、例えば、撮影されて記憶された画像データのデコンボリューション画像処理に適したデジタル画像データ形式に変換する処理と、画像サイズを補正する処理が行われる。

コンバージョンレンズユニット１０は、本実施の形態において、スマートフォン１の多くの機種に使用可能な汎用のものであるため、スマートフォン１の機種によって撮像装置５の撮像素子６の画素数が異なり、撮影される画像データのサイズが異なる。そこで、上述の近次式を用いたデコンボリューション処理に際して、画像データのサイズを近似式で設定されているサイズに変更する必要がある。すなわち、上述の被写界深度拡大アプリケーションで式１１を用いて行われるデコンボリューション画像処理において、予め設定された所定画像サイズで演算する設定とし、撮影された画像データの画像サイズを所定画像サイズにリサイズ（縮小または拡大）する。画像のリサイズにおいては、周知の間引き法や補間法を用いて行う。

この際には、まず、画像サイズを検出する（ステップＳ１）。本実施の形態では、撮影範囲が上述のフード１５の窓２１（２２）で規制されているので、この規制された撮影範囲の画像サイズを求める。この際には、撮影された画像データに写っている正方形の窓２１の一辺の長さに対応する画素数または円形の窓２２の径に対応する画素数を求める。

次に、求められた画素数で示される画像サイズの画像データを、上述の所定画像サイズにリサイズする（ステップＳ２）。この所定の画像サイズにリサイズだれた画像データを、式１１を用いてデコンボリューション画像処理を行う（ステップＳ３）。
これにより、被写界深度が拡大された画像データを得ることができる。この場合に肌が被写体２０の場合に、体の平面でない部分の肌でも、撮影範囲全体でピントが合った画像データを得ることができる。また、肌にフード１５を強く押し付けて、フード１５の窓２１（２２）の中央で肌が膨出した状態となっても、撮影範囲全体でピントの合った画像データを得ることができる。したがって、肌の画像データを用いて、肌の状態を分析する場合に、ぼけによって分析ができなかったり、分析の精度が低くなったりするのを防止できる。

なお、コンバージョンレンズユニット１０は、肌撮影用に限定されるものではなく、いずれの被写体２０を撮影するものとしてもよい。この場合に、フード１５を必要としない場合もあり、検出される画像サイズは、撮像装置５から出力される画像データのサイズであってもよい。

また、スマートフォン１の機種によって異なる撮像素子６の画素数に対応する方法としては、撮影された画像データのサイズを所定サイズにリサイズするもの限られるものではなく、式１１で示される近似式において、画像サイズを補正する係数を設定しておき、検出された画像サイズでデコンボリューション画像処理を行えるように、係数を補正するものとしてもよい。

すなわち、図１３に示すように、上述の場合と同様に撮影された画像データの画像サイズを検出した後に（ステップＳ１１）、画像データのサイズに対応して上述の係数を補正し（ステップＳ１２）、デコンボリューション画像処理を行う（ステップＳ１３）。

コンバージョンレンズユニット１０においては、コンバージョンレンズ１１と、コンバージョンレンズユニット１０が装着された撮像装置５のレンズ７とが結合された結合光学系のコンバージョンレンズユニット１０の瞳面またはその近傍に位相フィルタ１２が設けられているので、コンバージョンレンズユニット１０の着脱に従って位相フィルタ１２の着脱が可能になり、ＷＦＣ等の波面の位相変換とデジタル画像処理とにより被写界深度の拡大を行う方法を用いるか否かを容易に切り替えることができる。

すなわち、撮像装置５は、コンバージョンレンズユニット１０を取り付けない状態では、通常のカメラとして使用可能で、コンバージョンレンズユニット１０を取り付けた場合には、被写界深度拡大法を適用したカメラとなる。
この場合に、通常の撮影の場合に、ぼけを意図的に用いた撮影が可能で、被写界深度の拡大を必要とするときだけコンバージョンレンズユニット１０を装着すればよい。

また、コンバージョンレンズユニット１０がマクロ撮影用の場合に、マクロ撮影時の被写界深度の浅さを改善して、ぼけが少ない画像データを得ることができる。なお、この場合のマクロ撮影の目的は、例えば、芸術的なものではなく、各種被写体２０、例えば、切手、コイン、小さな植物や動物等の生物の記録や観察のための撮影に好適に用いることができ、上述の肌状態の分析にも好適に用いることができる。

また、マクロ撮影用のコンバージョンレンズユニット１０において、被写界深度を深くするために、コンバージョンレンズ１１を撮像装置５のレンズ７から離した構成とする必要がなくなり、コンバージョンレンズ１１をレンズ７により近づけた構造としても、被写界深度を深くすることができる。したがって、レンズ７にコンバージョンレンズ１１を近づけることにより、コンバージョンレンズ１１の径を小さくできることから、コンバージョンレンズユニット１０の小型化と、コストダウンを図ることができる。

なお、コンバージョンレンズユニット１０は、上述のようにマクロ撮影用に限定されるものではなく、テレコンバータやワイドコンバータであってもよい。
また、撮像装置５は、スマートフォン１に内蔵されるものに限られるものではなく、タブレット（パッド）やノートパソコン等の携帯型の演算処理装置を備える電子機器に内蔵されるものであっても良いし、他の機器に内蔵されない単体のデジタルカメラであってもよい。デジタルカメラは、コンパクトデジタルカメラ、一眼レフカメラ、一眼カメラ（レフ無し）であってもよい。

また、デコンボリューション画像処理を行う装置を、スマートフォン１の演算処理装置２で行うものとしたが、コンバージョンレンズユニット１０を用いて撮影された画像データを各種データ通信により外部のサーバー等の機器に出力し、外部の機器でデコンボリューション画像処理を行うものとしてもよい。

また、コンバージョンレンズユニット１０が装着される撮像装置５が単体のデジタルカメラの場合に、コンバージョンレンズユニット１０を例えば汎用ではなく、所定機種のデジタルカメラに対応する略専用のものとし、デジタルカメラに内蔵される画像処理エンジンの選択項目にコンバージョンレンズユニット１０を使用した場合を設け、画像処理エンジンにデコンボリューション画像処理のプログラム（回路）を設けておくものとしてもよい。また、デジタルカメラで撮影された画像データを上述のように外部の機器で、デコンボリューション画像処理するものとしてもよい。また、画像データは、静止画であっても動画であってもよい。

２演算処理装置（画像処理手段）
４記憶装置
５撮像装置
６撮像素子
７撮像装置のレンズ（マスターレンズ）
１０コンバージョンレンズユニット
１１コンバージョンレンズ
１２位相フィルタ
１０１位相フィルタ
１０２レンズ（コンバージョンレンズ＋マスターレンズ）

Claims

撮像素子と、当該撮像素子上に像を形成するためのレンズとを備える撮像装置の前記レンズ部分に着脱可能に取り付けられるコンバージョンレンズユニットであって、
前記撮像装置の前記レンズと結合するコンバージョンレンズと、
前記撮像装置の前記レンズと前記コンバージョンレンズからなる結像光学系で前記撮像素子に撮影される画像データの被写界深度の拡大を可能にする位相フィルタとを備えることを特徴とするコンバージョンレンズユニット。
前記コンバージョンレンズがマクロ撮影用であることを特徴とする請求項１に記載のコンバージョンレンズユニット。
撮像素子と、当該撮像素子上に像を形成するためのレンズとを備える撮像装置と、前記撮像装置の前記レンズ部分に着脱可能に取り付けられるコンバージョンレンズユニットとを備える撮像システムであって、
前記コンバージョンレンズユニットは、
前記撮像装置の前記レンズと結合するコンバージョンレンズと、
前記撮像装置の前記レンズと前記コンバージョンレンズからなる結像光学系で前記撮像素子に撮影される画像の被写界深度の拡大を可能にする位相フィルタとを備え、
前記コンバージョンレンズユニットを用いて前記撮像装置の前記撮像素子で撮像された画像データに被写界深度を拡大するための画像処理を施す画像処理手段を有することを特徴とする撮像システム。
アプリケーションを記憶する記憶装置と、当該アプリケーションを実行可能な演算処理装置を備える携帯型電子機器に前記撮像装置が設けられ、
前記記憶装置には、前記画像処理手段として機能する被写界深度拡大アプリケーションが記憶され、前記被写界深度拡大アプリケーションを実行することにより前記コンバージョンレンズユニットを用いて前記撮像素子で撮影された画像データから被写界深度が拡大された画像データを生成することを特徴とする請求項３に記載の撮像システム。