JP2016161808A - 焦点深度拡張結像光学系および焦点深度拡張素子および撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】焦点深度拡張素子を有する新規な焦点深度拡張結像光学系を実現する。【解決手段】焦点深度拡張結像光学系２０２は、焦点深度拡張素子２０３を付加され、焦点深度拡張素子２０３は、結像光学系の光軸の回りに回転対称な非球面形状を有し、該非球面形状は、そのサグ量：Ｚが、光軸から離れるに従い、少なくとも、負・正・負、もしくは正・負・正のように変化し、前記非球面の半径を正規化した正規化半径：｜ｔ｜の範囲：０＜｜ｔ｜＜０．４において、｜ｄＺ/ｄｔ｜の最大値が０．４以上で、０．４≦｜ｔ｜＜０．８の範囲の１か所以上において、ｄＺ/ｄｔ＝０となる。【選択図】図１
Description
この発明は、焦点深度拡張結像光学系および焦点深度拡張素子および撮像装置に関する。
ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子（以下「画像センサ」とも言う。）を有する撮像装置として、以下の如きものが知られている。
例えば、特許文献１に記載されたように「撮像対象の像を結像する機能を持つ結像光学系に光変調板を付加して被写界深度拡張光学系とし、画像センサにより撮像された画像をデジタル処理して焦点深度の深い画像を復元」する（特許文献１）。
例えば、特許文献１に記載されたように「撮像対象の像を結像する機能を持つ結像光学系に光変調板を付加して被写界深度拡張光学系とし、画像センサにより撮像された画像をデジタル処理して焦点深度の深い画像を復元」する（特許文献１）。
この明細書においては「被写界深度」を「焦点深度」と称する。
上記光変調板のように結像光学系の焦点深度を拡張する光学素子を、この明細書においては「焦点深度拡張素子」、焦点深度拡張素子を付加された結像光学系を「焦点深度拡張結像光学系」とそれぞれ称する。
上記光変調板のように結像光学系の焦点深度を拡張する光学素子を、この明細書においては「焦点深度拡張素子」、焦点深度拡張素子を付加された結像光学系を「焦点深度拡張結像光学系」とそれぞれ称する。
特許文献１記載の「被写界深度拡張光学系」は、結像光学系単独での撮像の場合と、被写界深度拡張光学系としての撮像の場合とで「デフォーカスＭＴＦのピーク位置」が合致するように、光変調板に屈折力を持たせている。
この発明は、焦点深度拡張素子を有する新規な焦点深度拡張結像光学系の実現を課題とする。
この発明の焦点深度拡張結像光学系は、結像光学系の焦点深度を拡張する焦点深度拡張素子を有する焦点深度拡張結像光学系であって、結像光学系に付加された焦点深度拡張素子は、前記結像光学系の光軸の回りに回転対称な非球面形状を有し、該非球面形状は、そのサグ量：Ｚが、光軸から離れるに従い、少なくとも、負・正・負、もしくは正・負・正のように変化し、前記非球面の半径を正規化した正規化半径：｜ｔ｜の範囲：
０＜｜ｔ｜＜０．４
において、｜ｄＺ/ｄｔ｜の最大値が０．４以上で、
０．４≦｜ｔ｜＜０．８
の範囲の１か所以上において、
ｄＺ/ｄｔ＝０
となる。
０＜｜ｔ｜＜０．４
において、｜ｄＺ/ｄｔ｜の最大値が０．４以上で、
０．４≦｜ｔ｜＜０．８
の範囲の１か所以上において、
ｄＺ/ｄｔ＝０
となる。
この発明によれば、結像光学系の焦点深度を拡張する焦点深度拡張素子を有する新規な焦点深度拡張結像光学系を実現できる。
以下、発明の実施の形態を説明する。
図１は、「撮像装置」の実施の１形態を説明図的に示している。
図１に実施の形態を示す撮像装置は、焦点深度拡張結像光学系２０２と、焦点深度拡張結像光学系により撮像対象２０１の像を結像される撮像素子２０５と、該撮像素子により撮像された像に対し画像処理を行う画像処理部２０６とを有する。
焦点深度拡張結像光学系２０２は、以下において「撮像レンズユニット２０２」とも称する。また「撮像対象２０１」は、以下において「被写体２０１」とも言う。
説明中の実施形態において、被写体２０１は、例えば「バーコードや２次元コード、あるいは文字列など」であり、これらのコードや文字が撮像装置により読み取られる。
撮像レンズユニット２０２は、複数枚のレンズを有し、開口絞り２０４の近傍に「焦点深度拡張素子」としての位相板２０３が挿入されている。
図１は、「撮像装置」の実施の１形態を説明図的に示している。
図１に実施の形態を示す撮像装置は、焦点深度拡張結像光学系２０２と、焦点深度拡張結像光学系により撮像対象２０１の像を結像される撮像素子２０５と、該撮像素子により撮像された像に対し画像処理を行う画像処理部２０６とを有する。
焦点深度拡張結像光学系２０２は、以下において「撮像レンズユニット２０２」とも称する。また「撮像対象２０１」は、以下において「被写体２０１」とも言う。
説明中の実施形態において、被写体２０１は、例えば「バーコードや２次元コード、あるいは文字列など」であり、これらのコードや文字が撮像装置により読み取られる。
撮像レンズユニット２０２は、複数枚のレンズを有し、開口絞り２０４の近傍に「焦点深度拡張素子」としての位相板２０３が挿入されている。
焦点深度拡張素子である位相板２０３は「焦点深度を拡張させる収差」を発生させる機能を有し、撮像素子２０５の像面における点像分布関数（以下「ＰＳＦ」と言う。）が「２画素以上にまたがる」ように結像光束を拡散させる。
撮像レンズユニット２０２により、上記「焦点深度を拡張させるための収差」が乗った状態で被写体２０１の像が撮像素子２０５の受光面上に結像する。
位相板２０３は、撮像レンズユニット２０２から取り外すことができ、位相板２０３を取り外した光学系が「結像光学系」である。
即ち、焦点深度拡張素子である位相板２０３は「結像光学系に対して着脱可能」で、位相板２０３を付加された結像光学系が「焦点深度拡張結像光学系２０２」である。
位相板２０３を付加されていない「結像光学系」は、それ自体でも結像機能を持つ。以下、結像光学系を「レンズユニット」とも言う。
撮像レンズユニット２０２により、上記「焦点深度を拡張させるための収差」が乗った状態で被写体２０１の像が撮像素子２０５の受光面上に結像する。
位相板２０３は、撮像レンズユニット２０２から取り外すことができ、位相板２０３を取り外した光学系が「結像光学系」である。
即ち、焦点深度拡張素子である位相板２０３は「結像光学系に対して着脱可能」で、位相板２０３を付加された結像光学系が「焦点深度拡張結像光学系２０２」である。
位相板２０３を付加されていない「結像光学系」は、それ自体でも結像機能を持つ。以下、結像光学系を「レンズユニット」とも言う。
レンズユニットを単独で用いる場合には、被写体２０１の「レンズユニットによる像」が撮像素子２０５の受光面上に結像される。
このとき「焦点深度を拡張させるための収差」は発生しておらず、レンズユニットの焦点深度は拡張されていない。
撮像素子２０５としては、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサ、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサなどの「一般的な固体撮像素子」を使用できる。
撮像素子２０５からは「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。
画像処理部２０６は「位相板２０３により拡散されたＰＳＦ(Point spread function)を復元する処理」を行う。
このとき「焦点深度を拡張させるための収差」は発生しておらず、レンズユニットの焦点深度は拡張されていない。
撮像素子２０５としては、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサ、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサなどの「一般的な固体撮像素子」を使用できる。
撮像素子２０５からは「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。
画像処理部２０６は「位相板２０３により拡散されたＰＳＦ(Point spread function)を復元する処理」を行う。
画像処理部２０６としては、コンピュータやＣＰＵ、「ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）のような集積回路」を用いることができる。
画像処理は、画像処理部２０６にコンピュータやＣＰＵを用いる場合は「ソフトウエア処理」であり、ＦＰＧＡを用いる場合は「ハードウエア処理」である。
焦点深度拡張素子である位相板２０３は、結像光学系であるレンズユニットに付加された状態において「レンズユニットの光軸の回りに回転対称な非球面形状」を有する。
この非球面形状は「そのサグ量：Ｚが、レンズユニットの光軸から離れるに従い、少なくとも「負・正・負、もしくは、正・負・正」のように変化する。
画像処理は、画像処理部２０６にコンピュータやＣＰＵを用いる場合は「ソフトウエア処理」であり、ＦＰＧＡを用いる場合は「ハードウエア処理」である。
焦点深度拡張素子である位相板２０３は、結像光学系であるレンズユニットに付加された状態において「レンズユニットの光軸の回りに回転対称な非球面形状」を有する。
この非球面形状は「そのサグ量：Ｚが、レンズユニットの光軸から離れるに従い、少なくとも「負・正・負、もしくは、正・負・正」のように変化する。
この非球面を「正規化」する。即ち、光軸位置を原点として、非球面領域の有効半径をＲＧとし、光軸からの距離をｒ（−ＲＧ≦ｒ≦ＲＧ）とする。
このとき「ｔ＝ｒ/ＲＧ」を「正規化座標」と呼ぶ。
ｒの変域が「−ＲＧ≦ｒ≦ＲＧ」であるから、ｔの変域は「−１≦ｔ≦＋１」であり、絶対値を用いれば「０≦｜ｔ｜≦１」である。｜ｔ｜を「正規化半径」と呼ぶ。
このとき「ｔ＝ｒ/ＲＧ」を「正規化座標」と呼ぶ。
ｒの変域が「−ＲＧ≦ｒ≦ＲＧ」であるから、ｔの変域は「−１≦ｔ≦＋１」であり、絶対値を用いれば「０≦｜ｔ｜≦１」である。｜ｔ｜を「正規化半径」と呼ぶ。
位相板２０３の非球面形状は、以下の条件を満足する。
即ち、正規化半径：｜ｔ｜の範囲：
０＜｜ｔ｜＜０．４
において、｜ｄＺ/ｄｔ｜の最大値が０．４以上で、
０．４≦｜ｔ｜＜０．８
の範囲の「１か所以上」において、
ｄＺ/ｄｔ＝０
となる。
０＜｜ｔ｜＜０．４
において、｜ｄＺ/ｄｔ｜の最大値が０．４以上で、
０．４≦｜ｔ｜＜０．８
の範囲の「１か所以上」において、
ｄＺ/ｄｔ＝０
となる。
一般的に、焦点深度を拡張するためには「焦点深度拡張素子の中心から離れた位置でのサグ量」を大きく変化させることが多い。しかし、それだけでは「復元処理を行った復元画像の解像度」を高く保つことは容易でない。
この発明の焦点深度拡張結像光学系では、回転対称な非球面形状をもつ焦点深度拡張素子の周辺付近と中央付近での「サグ量の形状」が上記の如き条件を満たすことにより、焦点深度を大きくでき、復元画像の解像度を高精度に保つことができる。
なお、焦点深度を「より深く」し、復元画像の解像度を「より高精度」に保つうえで、
上記非球面形状は、さらに以下の条件を満足することが好ましい。
即ち、正規化半径：｜ｔ｜の範囲：
０．４≦｜ｔ｜＜０．８
において、ｄＺ/ｄｔの最小値が−０．１以下で、最大値が＋１．０以上である。
即ち「０．４≦｜ｔ｜＜０．８」の範囲内では、サグの変化率（傾き量）が、大きいことが好ましい。
「実施例」
以下、焦点深度拡張光学系の具体的な実施例を２例挙げる。
以下に挙げる２例の実施例は、焦点深度拡張素子である位相板２０３を付加されていない状態の「結像光学系（レンズユニット）」は同一であり、付加された位相板２０３のみが異なる。
図１に示す焦点深度拡張結像光学系（撮像レンズユニット）２０２の光学構成を図２に示す。
図の左方が「物体側（被写体側）」、右方が「像側」であり、符号ＳＩｍは撮像素子２０５の受光面を示している。
撮像レンズユニットは、図２に示す如く、物体側から像側へ向かって、第１レンズ群Ｇ１ないし第４レンズ群Ｇ４を配し、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３との間に、位相板２０３と開口絞り２０４を配した構成である。
この発明の焦点深度拡張結像光学系では、回転対称な非球面形状をもつ焦点深度拡張素子の周辺付近と中央付近での「サグ量の形状」が上記の如き条件を満たすことにより、焦点深度を大きくでき、復元画像の解像度を高精度に保つことができる。
なお、焦点深度を「より深く」し、復元画像の解像度を「より高精度」に保つうえで、
上記非球面形状は、さらに以下の条件を満足することが好ましい。
即ち、正規化半径：｜ｔ｜の範囲：
０．４≦｜ｔ｜＜０．８
において、ｄＺ/ｄｔの最小値が−０．１以下で、最大値が＋１．０以上である。
即ち「０．４≦｜ｔ｜＜０．８」の範囲内では、サグの変化率（傾き量）が、大きいことが好ましい。
「実施例」
以下、焦点深度拡張光学系の具体的な実施例を２例挙げる。
以下に挙げる２例の実施例は、焦点深度拡張素子である位相板２０３を付加されていない状態の「結像光学系（レンズユニット）」は同一であり、付加された位相板２０３のみが異なる。
図１に示す焦点深度拡張結像光学系（撮像レンズユニット）２０２の光学構成を図２に示す。
図の左方が「物体側（被写体側）」、右方が「像側」であり、符号ＳＩｍは撮像素子２０５の受光面を示している。
撮像レンズユニットは、図２に示す如く、物体側から像側へ向かって、第１レンズ群Ｇ１ないし第４レンズ群Ｇ４を配し、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３との間に、位相板２０３と開口絞り２０４を配した構成である。
第１レンズ群Ｇ１は「物体側に凸面を向けた１枚の正メニスカスレンズＬ１」で構成されている。第２レンズ群Ｇ２は、物体側に凸面を向けた「凸平レンズＬ２」と像側に凹面を向けた「平凹レンズＬ３」とを貼り合わせた接合レンズである。
第２レンズ群Ｇ２は「負の屈折力」を持つ。
第３レンズ群Ｇ３は、物体側に凹面を向けた「凹平レンズＬ４」と像側に凸面を向けた「平凸レンズＬ５」とを貼り合わせた接合レンズで「負の屈折力」を持つ。
第４レンズ群Ｇ４は「１枚の両凸レンズＬ６」で構成されている。
即ち、この撮像レンズユニットは、物体側から正・負・負・正の屈折力配置を持つ６枚レンズ構成である。この撮像レンズユニットから位相板２０３を取り除いたものが「結像光学系（レンズユニット）」であり、上述の如く、実施例１、２に共通の構成である。
このレンズユニットの具体的なデータを表１に示す。
第２レンズ群Ｇ２は「負の屈折力」を持つ。
第３レンズ群Ｇ３は、物体側に凹面を向けた「凹平レンズＬ４」と像側に凸面を向けた「平凸レンズＬ５」とを貼り合わせた接合レンズで「負の屈折力」を持つ。
第４レンズ群Ｇ４は「１枚の両凸レンズＬ６」で構成されている。
即ち、この撮像レンズユニットは、物体側から正・負・負・正の屈折力配置を持つ６枚レンズ構成である。この撮像レンズユニットから位相板２０３を取り除いたものが「結像光学系（レンズユニット）」であり、上述の如く、実施例１、２に共通の構成である。
このレンズユニットの具体的なデータを表１に示す。
表１において、「Ｓｉ」は物体側から数えた面番号、「Ｒｉ」は曲率半径、「Ｄｉ」は面間隔、「Ｎｄｊ」は屈折率、「νｄｊ」はアッベ数を示している。以下においても同様である。
なお、長さの次元を持つ量の単位は特に断らない限り「ｍｍ」である。
面番号：Ｓ６は開口絞り２０４の面である。
面番号：Ｓ６は開口絞り２０４の面である。
このレンズユニットに、位相板２０３を付加した「実施例１および２のデータ」を表２に示す。
実施例１及び実施例２では、撮像レンズユニットの開口絞り２０４に「物体側から接するように合致」させて位相板２０３が配置されている。
この位相板２０３の「物体側面（面番号６）」が非球面形状であり、この非球面形状が実施例１と２とで異なる。
非球面の形状を表現する式は種々知られているが、ここでは、曲率：ｃ、コーニック係数：ｋ、多項係数：αｉ（ｉ＝１，２，・・）、光軸からの高さ：ｒ、サグ量：Ｚ、正規化座標：ρを用いる以下の式（Ａ）を用い、ｋとαｉを与えて形状を特定する。
Ｚ＝ｃｒ２/［１＋√｛１−（１＋ｋ）ｃ２ｒ２｝］＋Σαｉρｉ （Ａ）
「実施例１」
実施例１における位相板の非球面形状のデータを「非球面係数」として表３に示す。
「実施例１」
実施例１における位相板の非球面形状のデータを「非球面係数」として表３に示す。
「実施例２」
実施例２における位相板の非球面形状のデータを「非球面係数」として表４に示す。
実施例２における位相板の非球面形状のデータを「非球面係数」として表４に示す。
実施例１、２では、多項係数：αｉとして、ｉ＝１〜１６までを示したが、次数：ｉはこの例に限らない。また「非球面式」も上記式（Ａ）に限らず、公知の種々の式を用いることができることは言うまでもない。
実施例１、２におおいて、焦点深度拡張素子である位相板の非球面では「近軸曲率半径が∞（曲率：ｃ＝０）」となっているが、近軸曲率：ｃ＞０でもよい。この場合には、近軸曲率半径：Ｒを持つ球面と非球面との差（Ｒフィッティングした後のサグ量）がサグ量：Ｚとなることは言うまでもない。
実施例１、２におおいて、焦点深度拡張素子である位相板の非球面では「近軸曲率半径が∞（曲率：ｃ＝０）」となっているが、近軸曲率：ｃ＞０でもよい。この場合には、近軸曲率半径：Ｒを持つ球面と非球面との差（Ｒフィッティングした後のサグ量）がサグ量：Ｚとなることは言うまでもない。
図３に、実施例１と２の非球面形状を示す。「実線」が実施例１の非球面形状、「破線」が実施例２の非球面形状で、縦軸は「サグ量：Ｚ」、横軸は前述の「正規化座標：ｔ(図中には「正規化半径ｔ」と表示されている。)」である。
実施例１、２の非球面形状とも、サグ量：Ｚは、光軸から離れるに従い「正・負・正」のように変化している。
図４および図５に、実施例１及び２の「ｄＺ/ｄｔ」を示す。「実線」が実施例１、「破線」が実施例２である。
図４は、正規化半径：｜ｔ｜の範囲：０＜｜ｔ｜＜０．４における「ｄＺ/ｄｔ」を示し、図５は、０．４≦｜ｔ｜＜０．８における「ｄＺ/ｄｔ」を示している。
これら図４、図５を見ると、実施例１、２の何れにおいても、正規化半径：｜ｔ｜の範囲：０＜｜ｔ｜＜０．４において、｜ｄＺ/ｄｔ｜の最大値は０．４以上である（図４）。
また、実施例１、２とも、正規化半径：｜ｔ｜の範囲：０．４≦｜ｔ｜＜０．８の１か所において「ｄＺ/ｄｔ＝０」となっている（図５）。
さらに正規化半径：｜ｔ｜の範囲：０．４≦｜ｔ｜＜０．８において、ｄＺ/ｄｔの最小値は−０．１以下、最大値は１．０以上である（図５）。
さらに正規化半径：｜ｔ｜の範囲：０．４≦｜ｔ｜＜０．８において、ｄＺ/ｄｔの最小値は−０．１以下、最大値は１．０以上である（図５）。
実施例１の撮像レンズユニットにより結像した画像を撮像した画像データにおける「復元処理前」におけるＭＵカーブを図６に示し、ＭＤカーブを図７に示す。
ＭＵカーブの横軸は「空間周波数」、縦軸は「ＭＴＦ値」である。
ＭＤカーブの横軸は「デフォーカス」、縦軸は「ＭＴＦ値」である。
また、実施例２の撮像レンズユニットにより結像した画像を撮像した画像データにおける「復元処理前」におけるＭＵカーブを図８に示し、ＭＤカーブを図９に示す。
実施例１、２はそれぞれ「画像センサのセンサ画素ピッチ」が異なり、要求解像性能が異なることを想定して設計されている。
図６〜図９は、中心像高：０ｍｍ（Ｆ１）と周辺像高：６ｍｍ（Ｆ２Ｔ、Ｆ２Ｒ）を例としてプロットしている。「Ｆ２Ｔ」はタンジェンシアル方向、「Ｆ２Ｒ」はラジアル方向である。
復元処理を行う際には復元前の光学性能が０．１以上あることが好ましい。
即ち「ナイキスト周波数で周波数を正規化」したとき、正規化周波数：０．６でＭＴＦ：０．４未満、正規化周波数：０．４でＭＴＦ：０．５未満、正規化周波数：０．２でＭＴＦ：０．８未満であるような「ＭＵカーブ特性」をもつことが好ましい。
図６〜図９は、中心像高：０ｍｍ（Ｆ１）と周辺像高：６ｍｍ（Ｆ２Ｔ、Ｆ２Ｒ）を例としてプロットしている。「Ｆ２Ｔ」はタンジェンシアル方向、「Ｆ２Ｒ」はラジアル方向である。
復元処理を行う際には復元前の光学性能が０．１以上あることが好ましい。
即ち「ナイキスト周波数で周波数を正規化」したとき、正規化周波数：０．６でＭＴＦ：０．４未満、正規化周波数：０．４でＭＴＦ：０．５未満、正規化周波数：０．２でＭＴＦ：０．８未満であるような「ＭＵカーブ特性」をもつことが好ましい。
このような場合「画像を復元する画像処理の演算に用いる復元フィルタ」を計算し易く、復元後の解像性能を向上させることができる。
実施例1と実施例2の撮像レンズユニットを用いる場合の「ナイキスト周波数」は、それぞれ「６０ｌｐ／ｍｍ」と「１３５ｌｐ／ｍｍ」であり、上記の「ＭＵカーブ特性」を満たしている。
この発明における「サグ量：Ｚに対する条件」を満たし、端部のサグ量の変化を大きくすることで「上記光学性能を達成できる焦点深度拡張素子」の設計が容易に可能となる。
実施例1と実施例2の撮像レンズユニットを用いる場合の「ナイキスト周波数」は、それぞれ「６０ｌｐ／ｍｍ」と「１３５ｌｐ／ｍｍ」であり、上記の「ＭＵカーブ特性」を満たしている。
この発明における「サグ量：Ｚに対する条件」を満たし、端部のサグ量の変化を大きくすることで「上記光学性能を達成できる焦点深度拡張素子」の設計が容易に可能となる。
画像処理部２０６による画像の復元は、前述の「拡散したＰＳＦ」を復元する画像処理として行う。
画像処理は「一般的な画像処理である逆フィルタ処理やウィーナフィルタ処理」を用いることが可能であるが、説明中の実施の形態では「ウィーナフィルタ」を使用する。
画像処理は「一般的な画像処理である逆フィルタ処理やウィーナフィルタ処理」を用いることが可能であるが、説明中の実施の形態では「ウィーナフィルタ」を使用する。
「ウィーナフィルタを用いる画像処理」は例えば非特許文献１等により周知である。
「ウイーナフィルタ」は、以下の式（Ｂ）のように表される。
R(u,v)=[(H(u,v)]/{|H(u,v)|2+W(u,v)2/S(u,v)2} （Ｂ）
式（Ｂ）において、各記号の意味は以下の通りである。
式（Ｂ）において、各記号の意味は以下の通りである。
ｕ，ｖ：縦方向および横方向の周波数
Ｒ(ｕ，ｖ)： 画像処理フィルタ
Ｈ(ｕ，ｖ)： 光学系のＯＴＦ
Ｓ(ｕ，ｖ)２： 被写体のパワースペクトル
Ｗ(ｕ，ｖ)２： 画像センサ固有のノイズのパワースペクトル 。
Ｒ(ｕ，ｖ)： 画像処理フィルタ
Ｈ(ｕ，ｖ)： 光学系のＯＴＦ
Ｓ(ｕ，ｖ)２： 被写体のパワースペクトル
Ｗ(ｕ，ｖ)２： 画像センサ固有のノイズのパワースペクトル 。
このウイーナフィルタを用いた画像処理による「復元処理前後の画像のＭＤカーブ」を、実施例１の撮像レンズユニットを用いる場合について図１０に、実施例２の撮像レンズユニットを用いる場合について図１１に示す。
実施例１、２の焦点深度拡張素子を用いる撮像装置に対する「画像処理前後におけるＭＤカーブ（図１０、図１１）」を対比してみると、実施例１、２の場合とも復元処理の前後で「ＭＤカーブの深度幅の中心位置」が略一致している。
このことから、実施例１、２の焦点深度拡張結像光学系を用いる撮像装置では、焦点深度拡張素子を付加されない「結像光学系」による撮像の場合と、焦点深度拡張結像光学系を用いる場合とで、撮像素子の受光面位置を調整する必要がないことが分かる。
また、焦点深度拡張結像光学系を用いた撮像装置では、復元された画像のＭＤカーブが「デフォーカスの広い範囲にわたって平坦化」されている。
従って、焦点深度拡張結像光学系を用いる撮像装置は「深い焦点深度」を持ち、撮像対象の位置のずれに起因する「復元画像の劣化」が小さく、撮像対象の物体距離変動に対する許容度が大きい。
従って、焦点深度拡張結像光学系を用いる撮像装置は「深い焦点深度」を持ち、撮像対象の位置のずれに起因する「復元画像の劣化」が小さく、撮像対象の物体距離変動に対する許容度が大きい。
上に説明した実施例１、２では、結像光学系に付加される焦点深度拡張素子は、開口絞りの機能も兼ねることができる。
図１２は、「開口絞りを兼ねる焦点深度拡張素子」の実施の１形態例を説明するための図である。図１２において、符号１２０は「開口絞りを兼ねる焦点深度拡張素子」を示す。
焦点深度拡張素子１２０は、中心部に非球面領域１２０Ａを有し、この非球面領域１２０Ａは、上に説明した条件を満足する形状を有している。非球面領域１２０Ａの外側の領域１２０Ｂは「遮光性」とされている。
焦点深度拡張素子１２０は、中心部に非球面領域１２０Ａを有し、この非球面領域１２０Ａは、上に説明した条件を満足する形状を有している。非球面領域１２０Ａの外側の領域１２０Ｂは「遮光性」とされている。
このような焦点深度拡張素子１２０は、例えば、図の如き形状の透明板の中央部に非球面領域１２０Ａを形成し、その領域の外側に「遮光膜」を形成して遮光性の領域１２０Ｂとすればよい。
從って、焦点深度拡張素子１２０は、結像光学系に「開口絞り」を兼ねて付加されることができる。この場合、結像光学系が有する開口絞り２０４とは別個に、焦点深度拡張素子１２０を付加することにより、結像光学系の持つＦ値を変更できる。
以上の如く、この発明によれば以下の如き、新規な焦点深度拡張結像光学系、焦点深度拡張素子、撮像装置を実現できる。
［１］
結像光学系の焦点深度を拡張する焦点深度拡張素子を有する焦点深度拡張結像光学系であって、結像光学系に付加された焦点深度拡張素子２０３は、前記結像光学系の光軸の回りに回転対称な非球面形状を有し、該非球面形状は、そのサグ量：Ｚが、光軸から離れるに従い、少なくとも、負・正・負、もしくは正・負・正のように変化し、
前記非球面の半径を正規化した正規化半径：｜ｔ｜の範囲：
０＜｜ｔ｜＜０．４
において、｜ｄＺ/ｄｔ｜の最大値が０．４以上で、
０．４≦｜ｔ｜＜０．８
の範囲の１か所以上において、
ｄＺ/ｄｔ＝０
となる焦点深度拡張結像光学系（実施例１、２）。
結像光学系の焦点深度を拡張する焦点深度拡張素子を有する焦点深度拡張結像光学系であって、結像光学系に付加された焦点深度拡張素子２０３は、前記結像光学系の光軸の回りに回転対称な非球面形状を有し、該非球面形状は、そのサグ量：Ｚが、光軸から離れるに従い、少なくとも、負・正・負、もしくは正・負・正のように変化し、
前記非球面の半径を正規化した正規化半径：｜ｔ｜の範囲：
０＜｜ｔ｜＜０．４
において、｜ｄＺ/ｄｔ｜の最大値が０．４以上で、
０．４≦｜ｔ｜＜０．８
の範囲の１か所以上において、
ｄＺ/ｄｔ＝０
となる焦点深度拡張結像光学系（実施例１、２）。
［２］
［１］記載の焦点深度拡張結像光学系であって、非球面形状が、正規化半径：｜ｔ｜の範囲：０．４≦｜ｔ｜＜０．８
において、ｄＺ/ｄｔの最小値が−０．１以下、最大値が１．０以上である焦点深度拡張結像光学系（実施例１、２）。
［１］記載の焦点深度拡張結像光学系であって、非球面形状が、正規化半径：｜ｔ｜の範囲：０．４≦｜ｔ｜＜０．８
において、ｄＺ/ｄｔの最小値が−０．１以下、最大値が１．０以上である焦点深度拡張結像光学系（実施例１、２）。
［３］
［１］または［２］記載の焦点深度拡張結像光学系であって、焦点深度拡張素子２０３が、結像光学系の開口絞り２０４の近傍に付加された焦点深度拡張結像光学系（実施例１，２）。
［１］または［２］記載の焦点深度拡張結像光学系であって、焦点深度拡張素子２０３が、結像光学系の開口絞り２０４の近傍に付加された焦点深度拡張結像光学系（実施例１，２）。
［４］
［１］〜［３］の何れか１に記載の焦点深度拡張結像光学系であって、焦点深度拡張素子１２０は、非球面領域１２０Ａの外側が遮光性とされ、焦点深度拡張素子が開口絞りを兼ねる焦点深度拡張結像光学系。
［１］〜［３］の何れか１に記載の焦点深度拡張結像光学系であって、焦点深度拡張素子１２０は、非球面領域１２０Ａの外側が遮光性とされ、焦点深度拡張素子が開口絞りを兼ねる焦点深度拡張結像光学系。
［５］
［１］〜［４］の何れか１に記載の焦点深度拡張結像光学系であって、焦点深度拡張素子２０３が結像光学系に対して着脱可能であり、結像光学系が単独で、もしくは焦点深度拡張素子２０３を装着されて焦点深度拡張結像光学系として使用可能である焦点深度拡張結像光学系。
［１］〜［４］の何れか１に記載の焦点深度拡張結像光学系であって、焦点深度拡張素子２０３が結像光学系に対して着脱可能であり、結像光学系が単独で、もしくは焦点深度拡張素子２０３を装着されて焦点深度拡張結像光学系として使用可能である焦点深度拡張結像光学系。
［６］
結像光学系に付加されて焦点深度を拡張する焦点深度拡張素子であって、結像光学系に付加される焦点深度拡張素子は、前記結像光学系の光軸の回りに回転対称な非球面形状を有し、該非球面形状は、そのサグ量：Ｚが、光軸から離れるに従い、少なくとも、負・正・負、もしくは正・負・正のように変化し、前記非球面の半径を正規化した正規化半径：｜ｔ｜の範囲：０＜｜ｔ｜＜０．４において、｜ｄＺ/ｄｔ｜の最大値が０．４以上で、０．４≦｜ｔ｜＜０．８の範囲の１か所以上において、ｄＺ/ｄｔ＝０となる焦点深度拡張素子（実施例１、２）。
結像光学系に付加されて焦点深度を拡張する焦点深度拡張素子であって、結像光学系に付加される焦点深度拡張素子は、前記結像光学系の光軸の回りに回転対称な非球面形状を有し、該非球面形状は、そのサグ量：Ｚが、光軸から離れるに従い、少なくとも、負・正・負、もしくは正・負・正のように変化し、前記非球面の半径を正規化した正規化半径：｜ｔ｜の範囲：０＜｜ｔ｜＜０．４において、｜ｄＺ/ｄｔ｜の最大値が０．４以上で、０．４≦｜ｔ｜＜０．８の範囲の１か所以上において、ｄＺ/ｄｔ＝０となる焦点深度拡張素子（実施例１、２）。
［８］
［７］記載の焦点深度拡張素子であって、非球面形状が、正規化半径：｜ｔ｜の範囲：
０．４≦｜ｔ｜＜０．８において、ｄＺ/ｄｔの最小値が−０．１以下、最大値が１．０以上である焦点深度拡張素子（実施例１，２）。
［７］記載の焦点深度拡張素子であって、非球面形状が、正規化半径：｜ｔ｜の範囲：
０．４≦｜ｔ｜＜０．８において、ｄＺ/ｄｔの最小値が−０．１以下、最大値が１．０以上である焦点深度拡張素子（実施例１，２）。
［９］
［７］または［８］記載の焦点深度拡張素子であって、非球面領域１２０Ａの外側が遮光性とされ、付加される結像光学系における開口絞りを兼ねる焦点深度拡張素子。
［７］または［８］記載の焦点深度拡張素子であって、非球面領域１２０Ａの外側が遮光性とされ、付加される結像光学系における開口絞りを兼ねる焦点深度拡張素子。
［１０］
焦点深度拡張結像光学系２０２と、該焦点深度拡張結像光学系により撮像対象２０１の像を結像される撮像素子２０５と、該撮像素子により撮像された像に対し画像処理を行う画像処理部２０６とを有する撮像装置であって、焦点深度拡張結像光学系２０２として、［１］〜［５］の何れか１に記載の焦点深度拡張結像光学系を有する撮像装置。
焦点深度拡張結像光学系２０２と、該焦点深度拡張結像光学系により撮像対象２０１の像を結像される撮像素子２０５と、該撮像素子により撮像された像に対し画像処理を行う画像処理部２０６とを有する撮像装置であって、焦点深度拡張結像光学系２０２として、［１］〜［５］の何れか１に記載の焦点深度拡張結像光学系を有する撮像装置。
以上、発明の好ましい実施の形態について説明したが、この発明は上述した特定の実施の形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、上に説明した実施の形態では、焦点深度拡張素子を結像光学系に対して着脱可能としたが、結像光学系に付加した状態で結像光学系と一体化されて焦点深度拡張結像光学系を構成する様にしてもよい。
例えば、上に説明した実施の形態では、焦点深度拡張素子を結像光学系に対して着脱可能としたが、結像光学系に付加した状態で結像光学系と一体化されて焦点深度拡張結像光学系を構成する様にしてもよい。
焦点深度拡張素子を付加される結像光学系は、上に説明した例に限らないことは言うまでもない。
即ち、既存の公知の結像光学系に対しても、この発明の焦点深度拡張素子の非球面形状を、上に述べた条件を満足させつつ設計できる。
そして、このように設計された非球面形状をもつ焦点深度拡張素子は、焦点深度を拡張しつつ、「復元処理を行った復元画像の解像度」を高く保つ機能を実現できる。
即ち、既存の公知の結像光学系に対しても、この発明の焦点深度拡張素子の非球面形状を、上に述べた条件を満足させつつ設計できる。
そして、このように設計された非球面形状をもつ焦点深度拡張素子は、焦点深度を拡張しつつ、「復元処理を行った復元画像の解像度」を高く保つ機能を実現できる。
この発明の実施の形態に記載された効果は、発明から生じる好適な効果を列挙したに過ぎず、発明による効果は「実施の形態に記載されたもの」に限定されるものではない。
２０１ 撮像対象（被写体）
２０２ 焦点深度拡張結像光学系
２０３ 焦点深度拡張素子
２０４ 開口絞り
２０５ 撮像素子
２０６ 画像処理部
ＳＩｍ 撮像素子の受光面
１２０ 焦点深度拡張素子
１２０Ａ 非球面領域
１２０Ｂ 遮光性の領域
２０２ 焦点深度拡張結像光学系
２０３ 焦点深度拡張素子
２０４ 開口絞り
２０５ 撮像素子
２０６ 画像処理部
ＳＩｍ 撮像素子の受光面
１２０ 焦点深度拡張素子
１２０Ａ 非球面領域
１２０Ｂ 遮光性の領域
田村秀行著 コンピュータ画像処理
Claims (9)
- 結像光学系の焦点深度を拡張する焦点深度拡張素子を有する焦点深度拡張結像光学系であって、
結像光学系に付加された焦点深度拡張素子は、前記結像光学系の光軸の回りに回転対称な非球面形状を有し、
該非球面形状は、そのサグ量：Ｚが、光軸から離れるに従い、少なくとも、負・正・負、もしくは正・負・正のように変化し、
前記非球面の半径を正規化した正規化半径：｜ｔ｜の範囲：
０＜｜ｔ｜＜０．４
において、｜ｄＺ/ｄｔ｜の最大値が０．４以上で、
０．４≦｜ｔ｜＜０．８
の範囲の１か所以上において、
ｄＺ/ｄｔ＝０
となる焦点深度拡張結像光学系。 - 請求項１記載の焦点深度拡張結像光学系であって、
非球面形状が、正規化半径：｜ｔ｜の範囲：
０．４≦｜ｔ｜＜０．８
において、ｄＺ/ｄｔの最小値が−０．１以下、最大値が１．０以上である焦点深度拡張結像光学系。 - 請求項１または２記載の焦点深度拡張結像光学系であって、
焦点深度拡張素子が、結像光学系の開口絞りの近傍に付加された焦点深度拡張結像光学系。 - 請求項１〜３の何れか１項に記載の焦点深度拡張結像光学系であって、
焦点深度拡張素子は、非球面領域の外側が遮光性とされ、焦点深度拡張素子が開口絞りを兼ねる焦点深度拡張結像光学系。 - 請求項１〜４の何れか１項に記載の焦点深度拡張結像光学系であって、
焦点深度拡張素子が、結像光学系に対して着脱可能であり、
結像光学系が単独で、もしくは焦点深度拡張素子を装着されて焦点深度拡張結像光学系として使用可能である焦点深度拡張結像光学系。 - 結像光学系に付加されて焦点深度を拡張する焦点深度拡張素子であって、
結像光学系に付加される焦点深度拡張素子は、前記結像光学系の光軸の回りに回転対称な非球面形状を有し、
該非球面形状は、そのサグ量：Ｚが、光軸から離れるに従い、少なくとも、負・正・負、もしくは正・負・正のように変化し、
前記非球面の半径を正規化した正規化半径：｜ｔ｜の範囲：
０＜｜ｔ｜＜０．４
において、｜ｄＺ/ｄｔ｜の最大値が０．４以上で、
０．４≦｜ｔ｜＜０．８
の範囲の１か所以上において、
ｄＺ/ｄｔ＝０
となる焦点深度拡張素子。 - 請求項６記載の焦点深度拡張素子であって、
非球面形状が、正規化半径：｜ｔ｜の範囲：
０．４≦｜ｔ｜＜０．８
において、ｄＺ/ｄｔの最小値が−０．１以下、最大値が１．０以上である焦点深度拡張素子。 - 請求項６または７記載の焦点深度拡張素子であって、
非球面領域の外側が遮光性とされ、付加される結像光学系における開口絞りを兼ねる焦点深度拡張素子。 - 焦点深度拡張結像光学系と、該焦点深度拡張結像光学系により撮像対象の像を結像される撮像素子と、該撮像素子により撮像された像に対し画像処理を行う画像処理部とを有する撮像装置であって、
焦点深度拡張結像光学系として、請求項１〜５の何れか１項に記載の焦点深度拡張結像光学系を有する撮像装置。
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| JP2015005919A (ja) * | 2013-06-21 | 2015-01-08 | 株式会社リコー | 撮像装置および撮像方法および撮像装置用の結像光学系 |
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