JP5397814B2

JP5397814B2 - 撮像カメラ用光学板

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Publication number: JP5397814B2
Application number: JP2009506279A
Authority: JP
Inventors: 規有賀; 毅松宮
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2008-03-05
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2028-03-05
Also published as: JPWO2008117661A1

Description

【技術分野】
【０００１】
この発明は、撮像装置を用いてフィルム、ＣＣＤ、撮像管等に結像した画像を取得する撮像技術分野で、被写界深度をより深くするために用いる撮像カメラ用光学板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、対象物を撮像する場合、望遠レンズを含む種々の撮像レンズの焦点面にフィルム、ＣＣＤ等の撮像素子、撮像管、等を置いて画像が取得されてきている。
【０００３】
しかし、従来の技術では対象物の距離が変わると焦点位置を変える必要があるが、カメラの焦点深度は限られており、１つ焦点位置で広域の距離の対象物を写すことは困難である。レンズの焦点深度を深くすることにより被写界深度を深くすることができる。カメラの被写界深度を深くする簡単な方法として、開口を絞る方法があるが、開口を絞ると分解能が劣化し、また、入射光強度が減少するので、特に暗い環境で使用するカメラには使用できない。さらに、至近距離の対象物に対しては、焦点位置を大きくシフトしないとピントが合わず、たとえピントを合わせたとしても、近距離ほど距離の２乗で被写界深度が縮小されるので、至近距離で広い距離範囲を見ることは困難である。このように、被写界深度について従来からよく知られた限界があった。
【０００４】
被写界深度を深くする新しい方法として、中心から周辺に行くほど位相を遅らせる光学板が提案されている。
【０００５】
例えば、特許文献１（特開平１１−６９６６号公報）では、望遠鏡システムで、対物レンズ系である凸レンズと接眼レンズ系である凹レンズとを組み合わせたガリレオ式望遠鏡において、凹レンズに球面収差をもたせることによって望遠鏡の開口面で光軸より遠い程曲率が小さくなるように歪ませ、回折限界の光強度分布よりも狭い幅をもつ特殊な非回折ビームを生成するものが開示されている。これは、集光ビーム幅をほぼ一定に保って伝搬する非回折ビームを生成すると同時に分解能を回折限界の分解能以上にすることを目的にしたものである。
【０００６】
また、特許文献２（特開２００４−７７９１４号公報）では、撮像装置とその光学系で、光軸からの距離に応じて光波の位相が遅れ、その結果、結像光の波面の曲率が光軸から開口端に行くほど小さくなるか、あるいは、開口端から光軸に向かう距離に応じて光波の位相が遅れ、その結果、結像光の波面の曲率が開口端から光軸に行くほど大きくなる特性をもち、目あるいは撮像カメラの被写界深度を深くする機能をもった、１）凸レンズ、凹面鏡あるいは凸レンズに等価な光学素子を用いた対物光学系と、凹レンズあるいは凹レンズに等価な光学素子と、を用いた接眼光学系との組合せで構成された望遠鏡であるか、あるいは、２）波面の形状を制御する波面制御板を、目あるいは撮像カメラの前に設けた構成のものが開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−６９６６号公報
【特許文献２】
特開２００４−７７９１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
撮像カメラに用いる従来の補正板では、被写界深度が深くなるものの、被写界が遠距離側にシフトしてしまい、撮像カメラでピントを合わせた距離の対象物がぼけてしまう、という問題があった。この問題を解決するため、本発明は、撮像カメラのピント距離の対象物がぼけないように被写界深度を深くできる光学板を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、撮像カメラの前に付ける光学板を、中心から周辺に行くほど透過光の位相を遅らせるという従来手法に加えて、位相を一定にして変えない部分を開口内の周辺部又は中心部に設ける。この部分によりカメラでピントを合わせた距離の対象物がぼけないようにすることができる。このような特殊な工夫をして光学板に新たな機能を持たせることによって、従来技術では達成できなかったいくつかの点を克服するものである。即ち、例えばカメラの場合、カメラの開口径と同じ光学板の開口径のうち、外周部の環状帯内または中心部の円内では透過光の位相を一定にして変えないで、残りの部分では透過光の位相を中心から周辺に行くほど遅らせる。これにより、従来手法における欠点、つまり焦点領域全体が前方（光の進む方向でレンズから離れる方向）にシフトしまい元の焦点位置からずれてしまう結果、カメラでピントを合わせた距離の対象物がぼけしまう、という欠点を克服した。ここで言う従来手法とは、開口内で単純に周辺ほど位相を遅らせる手法である。
【００１０】
本発明は概略、（１）撮像カメラでピントを合わせた距離の対象物がぼけないように、元のピントの距離から遠距離側に連続して被写界深度を深くする第１の撮像カメラ用光学板、及び、（２）被写界を遠距離から至近距離にシフトさせる機能と透過光の位相を中心から周辺に行くほど遅らせる機能により、第１の撮像カメラ用光学板とは逆に、カメラでピントを合わせた距離の対象物がぼけない状態で近距離側に被写界深度を深くする第２の撮像カメラ用光学板、を提供する。第１の撮像カメラ用光学板と第２の撮像カメラ用光学板とは、撮像カメラの設定焦点の対象物がぼけないように被写界深度を深くできることで共通しているが、第２の光学板は深くした焦点領域を後方（レンズに近づく方向）にシフトでき、しかも光学板の面形状を変えることにより自由にシフトできるので、第１の撮像カメラ用光学板とは逆に近距離側に被写界深度を深くできる、という点に主な相異がある。
【００１１】
より具体的には、第１の撮像カメラ用光学板は、撮像カメラの有効開口径と同じ有効開口径をもち、該撮像カメラの前に付けて用いることで被写界深度を深くすることができ、入射面あるいは出射面の有効開口内に第１の領域と第２の領域とを備え光軸に直交する撮像カメラ用光学板である。
【００１２】
カメラの有効開口径は、一般に、レンズの焦点距離をＦ値で割った値として定義される。本発明光学板の有効開口とは、光学板の全開口（光が通過できる領域）のうち本発明光学板の被写界深度延伸機能に有効に作用する領域であり、本発明光学板の有効開口径はカメラの有効開口径と同じ値に定める。従って、双方の有効開口が重なるように光学板をカメラの前に取り付けて用いるものとする。
【００１３】
上記第１の領域は、撮像カメラ用光学板の有効開口に対して５割以上の面積比を有する内側領域であって、その入射面あるいは出射面の面形状の曲率は光軸から周辺に行くほど大きくなり、その厚みは中心から周辺に行くほど厚くなるようにして、透過した光の位相が中心から周辺に行くほど遅れるようにした領域であり、第２の領域は、第１の領域を取り囲むその残りの外側領域であって、この領域は平行平面板の形状をもち、この領域を透過した光の位相は透過位置依存性がない領域である。従って、第２の領域である外側領域では、有効開口に対して５割以下の面積比が設定されることになる。
【００１４】
例えば、第１の領域で、有効開口に対して５割以上の面積比として７割を設定する場合は、第２の領域の面積比は、残りの３割となる。円形開口の場合、有効半径に対する動径距離の比としては、第１の領域では面積比０．７の平方根（１／２乗）の値となり、第２の領域では、１−０．７^1/2、となる。各々、近似値として、０．８４、０．１６、となる。第１の領域の面積比での最小値５割は、動径距離比では約７割である。
【００１５】
あるいは、別の手法として、第１の撮像カメラ用光学板の第１の領域は、有効開口に対して５割以上の面積比を有する外側領域であって、その入射面あるいは出射面の面形状の曲率は第１の領域と第２の領域との境界から周辺に行くほど大きくなり、その厚みは上記境界から周辺に行くほど厚くなるようにして、透過した光の位相が上記境界から周辺に行くほど遅れるようにした領域である。また、第２の領域は、第１の領域に取り囲まれるその残りの内側領域であって、その領域は平行平面板の形状をもち、その領域を透過した光の位相は透過位置依存性がない領域である。従って、この場合、第２の領域である内側領域では、有効開口に対して５割以下の面積比が設定されることになる。
【００１６】
上記２つの手法のいずれの場合も、位相を遅らせて焦点深度を深くする機能を有する領域の面積を有効開口の面積の５割以上（即ち、残りの位相を制御しない平面形状領域は５割以下）とする理由は、透過光の位相制御領域が５割以下になると焦点深度を深くする効果が半減して本発明の光学板を利用する意味がなくなってしまうからである。さらに、位相制御領域の面積の設定を、有効開口に対して５割以上の面積比、として幅を持たせている理由は、位相制御領域の面積を小さく（即ち、残りの位相を制御しない平面形状領域を大きく）していくと、焦点深度の伸びは小さくなるものの焦点領域の前方へのシフトが小さくなるので本来の焦点からのずれが小さくなる。また、波長によっても度合いが変化し、例えば、波長が短い程焦点深度の伸びは大きくなるので考慮が必要である。このため、利用者が目的に応じて適度に面積比を選択できるようにしている。
【００１７】
また、第２の撮像カメラ用光学板については、撮像カメラの有効開口径と同じ有効開口径をもち、該撮像カメラの前に付けて用いることで被写界深度を深くすることができ、入射面あるは出射面が第１の形状と第２の形状を合成した形状をもち、光軸に直交する光学板である。ここで、第１の形状は、軸対称であり、面形状の曲率が光軸から周辺に行くほど大きくなり、その厚みは中心から周辺に行くほど厚くなるようにして、透過した光の位相が中心から周辺に行くほど遅れるようにした凹面の形状である。また、第２の形状は、軸対称であり、焦点位置を遠距離から近距離側にシフトさせる機能を持ち、面形状の曲率が一定の凸面の形状である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明による撮像カメラ用光学板では、結像の焦点を深くする機能や、焦点深度を深く保ちながら焦点を至近距離対象物用にシフトできる機能を有し、また、広範囲の対象物に対して焦点位置を変えることなく高分解能での撮像が可能である。この特徴を備えるため、焦点位置から外れ易い運動している対象物に対しても有効である。従って、本発明は望遠カメラを含む各種のカメラ、広いレンジの計測やモニタ等への幅広い応用ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】
第１図は、本発明の撮像カメラ用光学板を適用する撮像系の模式図である。
【図２】
第２図は、本発明の目指す波面形状について説明する図で、撮像レンズより放射される結像光波面を示し、（ａ）は撮像レンズのみの場合、（ｂ）は撮像カメラ用光学板付き撮像レンズの場合を示す図である。
【図３】
第３図は、本発明の効果である、焦点が光軸方向に伸びて焦点深度が深くなること、を説明する模式図である。
【図４】
第４図は、第１の撮像カメラ用光学板の第１の手法での断面形状の例を示す図である。
【図５】
第５図は、第１の撮像カメラ用光学板の第２の手法での断面形状の例を示す図である。
【図６】
第６図は、第２の撮像カメラ用光学板の断面形状の例を示す図である。
【図７】
第７図は、一般の撮像レンズによる焦点領域の集光ビームパターンを示す図である。
【図８】
第８図は、撮像レンズの前に第１の撮像カメラ用光学板で第１の手法（外周部で位相を一定にして変えない手法）による形状の光学板を付けた場合の、焦点領域での集光ビームパターンを示す図である。
【図９】
第９図は、撮像レンズの前に第１の撮像カメラ用光学板で第２の手法（中心部で位相を一定にして変えない手法）による形状の光学板を付けた場合の、焦点領域での集光ビームパターンを示す図である。
【図１０】
第１０図は、比較のための従来技術による焦点形成の場合、即ち、周辺ほど位相を遅らせる単一構造の形状にした場合の集光ビームパターンを示す図である。
【図１１】
第１１図は、撮像レンズの前に、第２の撮像カメラ用光学板を付けた撮像系の場合の焦点領域の集光ビームパターンを示す図である。
【図１２】
第１２図は、第１の撮像カメラ用光学板の断面の模式図を示す図であり、第１の領域８と第２の領域９を、（ａ）は第１の領域が中心部にある場合、（ｃ）は第１の領域が外周部にある場合を示し、（ｂ）は従来の補正板の場合を示す。
【図１３】
第１３図は、第２の撮像カメラ用光学板の断面の模式図を示す図であり、（ａ）は合成形状を、（ｂ）は第１の形状を、（ｃ）は第２の形状を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。まず、本発明の撮像カメラ用光学板１は、第１図に示すように、凸レンズなどの撮像レンズ２と組み合わせた撮像系で用いるものである。撮像レンズ２の代わりに眼球のレンズと組み合わせて用いてもよい。
【００２１】
また、本発明の撮像カメラ用光学板の表面形状は、後述のように、従来に無い形状とするが、まず、本発明の目指す波面形状について説明する。（１）従来の撮像レンズのみの場合の第２図（ａ）は、理想的な撮像レンズ通過後の光の波面３は球面であり、焦点に集光する。（２）一方、本発明の場合の表面形状によって得られる撮像レンズによる波面４を第２図（ｂ）に示す。本発明の撮像カメラ用光学板を付けた場合は、波面は中心から周辺に行くほど位相が遅れる歪んだ球面の波面となる。
【００２２】
この歪んだ波面により、第３図（ｃ）に示すように、焦点５は光軸方向に伸びて焦点深度が深くなる。通常の撮像レンズの場合は、波面が球面のため何処から出た光線も焦点に集まるのに対して、本発明の撮像カメラ用光学板を付ける本発明の場合は、第３図（ｃ）の実線６の波面のように歪んだ球面となるため、光軸近くから出た光線は近くに、より周辺から出た光線はより遠くに、集光する。このため、焦点が伸びることになり、焦点深度が深くなる。一般に、像空間の焦点深度と対象物空間の被写界深度は等価であるので、焦点深度が深くなると被写界深度が深くなる。また、第３図（ｃ）に示す破線７の波面は、特許文献２の場合の波面である。
【００２３】
第３図（ｂ）で仮定した撮像カメラ用光学板１を、第３図（ａ）に示す。これは、以下で説明する第１の撮像カメラ用光学板に相当する。この場合、第１の領域８を外側に、第２の領域９を内側に設定した構成を例示したもので、第３図（ｃ）に示す様に、この撮像カメラ用光学板の中心領域の第２の領域９を透過した光と周辺領域を透過した光のそれぞれの位相を比較すると、周辺領域を透過した光の位相は相対的に遅れている。
【００２４】
光学板を通過した光の位相を、中心から周辺に行くほど遅らせるためには、光学板通過の光路長を周辺に行くほど長くするようにすればよい。光路長を変える簡単な方法としては、光学板の厚みを中心から周辺に行くほど厚くする方法がある。即ち、光学板の厚みを変えて位相を中心から周辺に行くほど遅らせることができる。
【００２５】
光学系の開口は円形でなくても（例えば楕円でも）かまわないが、ここでは、簡単に扱うために、先ず、光学板は軸対称とし、光学板の有効半径をａ、長さの単位の半径をｒ、０〜１で定義される半径方向の変数をρとする。すると、ρは次式で表される。
【００２６】
【数１】
【００２７】
次に、光学板の中心の厚さに対する半径ρでの厚さの増加分をｗ（ρ）として光学板の面形状を考える。例えば、簡単のため、光学板の片面を平面として、他方の面の形状を変えて厚さを変えることができるが、この場合、光学板の中心の表面を基準面とすると、ｗ（ρ）は、半径ρでの表面の基準面に対する高さとなる。ｗ（ρ）が一定の部分では光路長が変わらないので位相が変化しないことになる。
【００２８】
光学板の入射面と出射面とが曲率をもった面である場合は、厚さを変えずに片面を平面になるように変形して他方の面、例えば出射面、のみが曲率をもつものとして以下に説明する。
【００２９】
次に、具体的な光学板の形状について述べる。光学板は撮像レンズの前に取り付けるので、光学板の有効口径は、レンズの有効開口径と等しくする。上記の第１の撮像カメラ用光学板、第２の撮像カメラ用光学板について、各々以下に説明する。
【００３０】
第１の撮像カメラ用光学板は、その有効開口のうち、有効開口に対して５割以上の面積比を有する内側領域では透過光の位相を中心から周辺に行くほど遅らせ、残りの外側領域（円形開口の場合は外側環状帯）では透過光の位相を一定にして変えない、ことを特徴とする。
【００３１】
この場合の撮像カメラ用光学板の断面の模式図を第１２図に示す。単に、位相を内側から周辺に行くほど遅らせるためには、第１２図（ｂ）に示すように、光学板の厚みを光軸から周辺に行くほど厚くすればよく、さらに、外周で位相を一定にして変えないためには、第３図（ａ）の符号９の部分に示す様に、第１２図（ａ）に於いて厚みを一定にしておけばよい。
【００３２】
また、第１２図（ｃ）に示す様に、有効開口に対して５割以上の面積比を有する外側領域（円形開口の場合は外側環状帯）、では透過光の位相を周辺に行くほど遅らせるものとし、残りの内側領域では、透過光の位相を一定にして変えないようにしてもよい。
【００３３】
透過光の位相が光軸から周辺に行くほど遅れる状態を波面で考えると、波面の曲率が周辺ほど大きくなる負の波面（周辺ほど反りが大きい後方に反った波面）となる。
【００３４】
第１の撮像カメラ用光学板の特徴は、円形開口の場合、外周部の環状帯内または中心部の円内では透過光の位相を一定にして変えないで、残りの部分では透過光の位相を中心から周辺に行くほど遅らせる、ことであるが、このような機能を持つ光学板を実現するためには、例えば、上述のように光学板の両面のうち片面は平面として他方の面だけで形状を変えることとし、他方の面で内側は上記の形状にし、外側はそのまま平面にする、のが簡単な方法である。透過後の光波面の曲率が中心から周辺に行くほど遅れる機能をもつ光学板の片面の形状を関数ｆ（ρ）で表すことにする。但し、ｆ（ρ）は開口端（ρ＝１）で１になるように規格化する。
【００３５】
第１の撮像カメラ用光学板のこのような特殊な面の形状を中心での底面を基準とする厚みの変化ｗ（ρ）を用いて数式で表すと、外周部の環状帯で位相を一定にして変えない第１の手法の場合は、面形状ｆ（ρ）を用いて次式のようになる。
【００３６】
【数２】
【００３７】
ここで、Ａはｆ（ρ）を用いて計算した場合の開口端（ρ＝１）でのｗ（ρ）の値ｗ（１）である。ｗ（１）は中心での厚みに対する開口端の厚みの増加量であり、一方の面を平面として片面だけで厚みを変える場合には片面は凹面形状になるので、Ａは凹面の底からの開口端の高さに相当する。但し、ρ₁は定数で位相を一定にする部分と位相を変える部分との境界の動径変数ρの値、即ち環状帯の内半径値である。０≦ρ≦ρ₁は位相が変化する領域であり、残りのρ₁≦ρ≦１は位相が一定となる領域である。
【００３８】
第１の光学板の第１の手法での断面形状の例を第４図に示す。第４図は、動径距離に対する高さ（つまり厚さ）を示している。例として、数式２でＡ＝１０μｍ、ρ₁＝０．９としている。この例では、撮像カメラ用光学板の片面は平面とし、他方の面の形状を変化させている。第４図はこの面が２重構造になっており、特殊な形状となっていることを示している。
【００３９】
次に、第１の撮像カメラ用光学板で、中心部の円内で位相を一定にして変えない第２の手法の場合を、数式ではｗ（ρ）を数式２に代えて、次式のように表す。
【００４０】
【数３】
【００４１】
ここで、ρ₂は定数で位相を一定する部分と位相を変える部分の境界の動径変数ρの値、即ち内部の円の半径値であり、０≦ρ≦ρ₂で位相が一定になる。開口端（ρ＝１）でのｗ（ρ）の値ｗ（１）は、面形状をＡｆ（ρ）で与えた場合はＡになるが、数式３ではＡｆ（１−ρ₂）であるのでＡより小さくなる。これは、新しい変数ρ’を考え、ρ’＝ρ−ρ₂とすると、変数ρ’でみた開口端は１−ρ₂となる故である。従って、第２の手法で第１の手法の場合と同程度の開口端での値にして同程度の効果を得るためには、数式３でのＡの値は数式２での値より十分大きくとる必要がある。
【００４２】
数式３では、面形状関数ｆ（ρ）の原点が中心から半径方向にρ₂だけシフトした形状になっている。中心部で位相を一定にする別の手段として、中心から開口端まで連続した関数になっている形状を基に中心部だけ平面とする方法が考えられるが、この場合はほとんど効果が無く焦点深度を深くする所期の目的には利用できない。これは、ここに記述しないが、計算機シミュレーションなどから明らかになっている。
【００４３】
第１の撮像カメラ用光学板の第２の手法での断面形状の例を第５図に示す。第５図では、第４図の場合の開口端での表面の高さ（約７μｍ）と同程度の高さにするため、数式３でＡ＝３０μｍとし、位相を一定にする境界の半径値はρ₂＝０．４としている。この例では、先に紹介した第１の手法の場合と同様に撮像カメラ用光学板の片面は平面とし、他方の面の形状を変化させている。第５図は光学板の表面の構造が２重構造になっており、特殊な形状となっていることを示している。
【実施例２】
【００４４】
第２の撮像カメラ用光学板は、焦点位置を遠距離から至近距離にシフトさせる機能と透過光の位相を中心から周辺に行くほど遅らせて至近距離の被写界深度を深くする機能とを兼ね備えるようにして、１つの焦点位置で至近距離の広い距離範囲を見えるようにした、ことが特徴である。例えば、一般のカメラで無限遠距離にピントを合わせた状態をカメラ使用の標準状態とすると、標準状態では近距離特に至近距離は画像がぼけてしまう。至近距離を見るには、焦点位置を移動してピントを至近距離に合わせないといけないが、たとえピントを合わせたとしても、至近距離の被写界深度は著しく小さくなるので、広い距離範囲を見ることができない。これに対して、第２の撮像カメラ用光学板を付ければ、瞬時に至近距離を広範囲で見ることが可能になる。
【００４５】
この場合の撮像カメラ用光学板の断面の模式図を第１３図に示す。第１３図（ａ）が、本発明の第２の光学板に相当する。これは、第１３図（ｂ）に示す第１の形状、つまり、面形状の曲率が光軸から周辺に行くほど大きくなり、その厚みは中心から周辺に行くほど厚くなるようにして、透過した光の位相が中心から周辺に行くほど遅れるようにした凹面の形状と、第１３図（ｃ）に示す第２の形状、つまり、焦点位置を遠距離から近距離側にシフトさせる機能を持ち面形状の曲率が一定な凸面の形状、との合成形状である。
【００４６】
透過光の位相を中心から周辺に行くほど遅らせる機能及び手法は、上記の第１の撮像カメラ用光学板の場合と同様である。即ち、撮像カメラ用光学板の厚みの変化を上記の関数ｆ（ρ）の形状により周辺ほど厚くする。一方、焦点位置を遠距離から至近距離にシフトさせる状態を波面で考えると、撮像レンズによる本来の集光（結像）の波面の曲率をさらに大きくするように撮像カメラ用光学板が作用すればよい。凹面及び凸面の形状を、各々、軸対称の正及び負の関数で定義すると、透過光の曲率が大きくなる機能を撮像カメラ用光学板に持たせるための簡単な方法は、撮像カメラ用光学板の表面の形状を負の２次関数にすればよい。表面の形状が負の関数であることは凸面の形状であることであり、透過光の位相を中心から周辺に行くほど遅らせる場合は凹面の形状にするのに対して、逆の形状にすることに注意が必要である。
【００４７】
従って、撮像カメラ用光学板にこの２つの機能を持たせるための形状は、数式として、次式のように符合が異なる２つの関数の和で表される。
【００４８】
【数４】
【００４９】
ここで、Ａ₁、Ａ₂、は、数式４の第１項と第２項のそれぞれを独立の関数と考えた時の開口端（ρ＝１）でのそれぞれのｗ（ρ）の値ｗ（１）である。上記の数式４の右辺の第１項は、その厚みは中心から周辺に行くほど厚くなるようにして、透過した光の位相が中心から周辺に行くほど遅れるようにした凹面の第１の形状であり、第２項は、焦点位置を遠距離から近距離側にシフトさせる機能を持つ凸面の第２の形状である。これらを合成して第２の撮像カメラ用光学板を構成することができる。第２の形状は、数式４においては放物面であるが、これに限る必要はなく、球面であってもよい。ちなみに、第２の光学板では、凸面が極端にゆるい形状を扱っているので、２次関数は十分な高精度で曲率一定な面と見なすことが出来る。
【００５０】
第２の撮像カメラ用光学板の断面形状の例を第６図に示す。第６図は、数式４でＡ₁＝１５μｍ、Ａ₂＝２０μｍ、とした場合である。この例では、第４図の場合と同様、撮像カメラ用光学板の片面は平面とし、他方の面の形状を変化させている。この表面の形状は、中心部で（第１の撮像カメラ用光学板の凹型に対して）凸型に、外周部で凹型になっている。合成されて、中心部で凸面の形状になる理由は、数式４でＡ₂がＡ₁より大きくなるように形状を与えている故である。
【００５１】
次に、第１の撮像カメラ用光学板、第２の撮像カメラ用光学板、を撮像レンズと組み合わせた撮像系の場合の効果について、具体的な計算機シミュレーション例を紹介する。計算機シミュレーションでは、撮像用カメラとして、レンズの有効開口径：２．５ｃｍ、焦点距離：７．５ｃｍ（従ってＦ３）、受光波長の中心を０．６μｍ、と標準的な値を仮定した。
【００５２】
第７図は、この仕様での一般の撮像レンズによる焦点領域の集光ビームパターンを示している。標示範囲は、半径２０μｍ（直径４０μｍ）、光軸方向５００μｍ（０．５ｍｍ）、である。対象物の距離が無限遠なので、撮像レンズの焦点距離７．５ｃｍの位置に集光している。
【００５３】
一般に、対象物の距離が変わっても、集光の焦点位置が移動するだけで、集光ビームパターンはほとんど変わらない。そこで、対象物の距離は基準の無限遠を仮定している。以下、全ての場合について、対象物の距離は基準の無限遠を仮定している。
【００５４】
また、第８図に、撮像レンズの前に第１の撮像カメラ用光学板で第１の手法（外周部で位相を一定にして変えない手法）による形状の光学板を付けた場合の、焦点領域での集光ビームパターンを示す。標示範囲は奥行き５００μｍで第７図の撮像レンズのみの場合と同様であるが、第１の光学板を付けると焦点深度が伸びると同時に、焦点領域が前方に少しシフトする副作用があるので、前方の状態が見えるように第８図の表示領域は第７図より少しずらしている。第７図の撮像レンズのみの場合に比較して、焦点深度が前方に大きく伸びている（焦点深度が深くなっている）ことが分かる。
【００５５】
このように、本発明の撮像カメラ用光学板を付けることによって焦点深度が深くなるが、光学系の分解能を決定するビーム断面プロファイルの主ローブ（main lobe）の幅は上記の撮像レンズのみの場合とほとんど変わらず、非回折ビームになっているのが特徴で、この効果により、焦点深度を深くしてほぼ同等の分解能が得られることが分かる。
【００５６】
第９図は、撮像レンズの前に付ける第１の撮像カメラ用光学板で第２の手法（中心部で位相を一定にして変えない手法）による形状の光学板を付けた場合の、焦点領域での集光ビームパターンを示す。標示範囲は、第８図の場合と同様である。第８図の第１の手法の場合と同様に、第７図の撮像レンズのみの場合に比較して、焦点が前方に大きく伸びている（焦点深度が深くなっている）ことが分かる。但し、焦点領域の中間部でサイドローブがやや大きくなり、第１の手法の場合に比較して、やや集光状態が悪くなることが分る。
【００５７】
第１０図は、比較のための従来技術による焦点形成の図、即ち、第１の撮像カメラ用光学板のように、開口内の一部の領域をフラットにする特殊な２重構造の形状にしないで、周辺ほど位相を遅らせる単一構造の形状にした場合の集光ビームパターンである。表示範囲は奥行き５００μｍと第８図と同じであるが、表示領域は奥の状態も示すため１００μｍだけ奥へずらしている。第８図と比較すると、第８図での第１の光学板の場合は、光学板なしの焦点位置７５ｍｍから連続して焦点領域が前方に伸びているのに対して、第１０図では手前の本来の焦点位置近くに空白部分があり（本来の焦点領域と重なる焦点領域がない）、全体の焦点深度もより浅くなっている。即ち、第１の撮像カメラ用光学板のように表面を特殊な形状にすると、本来の焦点位置から連続して焦点領域が生成され、且つ、焦点深度がより深くなる、という長所が分かる。
【００５８】
本発明の第１の撮像カメラ用光学板では、位相を一定にして変えないようにする開口領域を外周部に設ける場合は、その領域は有効開口径に対して約７割以上の内直径比を有する外側の環状帯であり、中心部に設ける場合は、その領域は有効開口径に対して約７割以下の直径比を有する内側の円である、ことが望ましい。外側環状帯での位相一定領域を内直径が光学板の有効開口径の約７割（面積比で約５割）の状態より大きくすると焦点深度が深くなる効果が小さくなり、逆に、位相一定の外側環状帯領域を小さくし過ぎると全開口で位相を変えた場合に近づき、焦点深度が深くなるものの上記のように焦点領域が前方にシフトして空白部ができてしまう。中心部での位相一定領域を直径が有効開口径の約７割（面積比で約５割）の円内より大きくあるいは小さくした場合の位相一定領域の増減に対する効果は、外周部の位相一定領域の増減の効果と同様になる。従って、利用者が目的に合った最適の状態が得られるように位相一定領域を設定することが望ましい。
【００５９】
第１１図は、撮像レンズの前に、第２の光学板を付けた撮像系の場合の焦点領域の集光ビームパターンを示す。表示領域は、第６図から第１１図の場合と同様、５００μｍとしている。焦点深度が深くなり、同時に、焦点領域が（撮像レンズによる元の焦点位置を含んで）手前に大きくシフトしている。第１１図は無限遠からの光線の集光ビームパターンであるが、至近距離からの光線は、この焦点深度を保って、前方に集光することになる。これらの効果により、本発明の撮像カメラ用光学板を付けるだけで（カメラを無限遠焦点位置に固定したままで）、至近距離の対象物が広い距離領域で見えるようになる。
【００６０】
別の計算機シミュレーションによって、同じパラメータで集光ビームの中心強度の光軸方向分布を正確に求め、光軸方向分布の半値幅を焦点深度として焦点深度を計算すると、
（１）撮像レンズのみ：１２０μｍ
（２）第１の撮像カメラ用光学板付き：５５０μｍ（例として第１の手法を採用）
（３）第２の撮像カメラ用光学板付き：５５０μｍ（焦点シフト：約０．５ｍｍ）となる。但し、ここでは、集光ビーム中心強度の光軸方向分布から焦点深度を求める際、撮像レンズのみの場合の深度幅レベルを撮像カメラ用光学板付きの場合の半値幅レベルと等しく設定して、経験的に焦点深度を求めた。
【００６１】
上記の様に、第１の撮像カメラ用光学板のように２重構造の表面形状としないで、単純に周辺ほど位相を遅らせる形状（つまり従来の光学板の形状）の場合は焦点深度が約４００μｍであるので、第１の光学板の値５５０μｍは、開口内の特殊な２重構造で焦点深度が約１．３５倍になる効果があることを示している。
【００６２】
これらの焦点深度から、撮像レンズの焦点距離７５ｍｍを用いて被写界深度を算出すると、
（４）撮像レンズのみ：４５ｍ〜∞、
（５）第１の撮像カメラ用光学板付き：１０ｍ〜∞、
となり、光学板を付けると被写界深度が深くなることが定量的に理解できる。但し、第１の撮像カメラ用光学板では、被写界が遠距離側にシフトするので、例えば、被写界深度の手前の距離を１０ｍにするには、カメラのピントを１０ｍより十分手前に合わせた状態で光学板を付ける必要がある。撮像カメラ用光学板の度数Ａ（数式２、３で与えられている関数ｆ（ρ）の係数Ａで定義する）を大きくすれば、被写界深度は上記の例の場合よりもっと深くすることができる。
【００６３】
焦点深度と焦点のシフトから、第２の撮像カメラ用光学板の被写界深度を算出すると、
（６）第２の撮像カメラ用光学板付き：１０ｍ〜∞（カメラの焦点位置は∞）、
となる。撮像レンズのみでの被写界４５ｍ〜∞が、光学板を付けると、カメラのピントを∞に固定したままでも、被写界が１０ｍ〜∞、になり、ピントを変えないで近距離が広範囲に見えるようになることが定量的に理解できる。ちなみに、撮像レンズのみの場合の被写界は、ピント１０ｍの距離では、１０ｍ〜１３ｍと極めて小さいので、たとえピントを調整したとしても、広範囲を見ることができない。第２の撮像カメラ用光学板では、第１の光学板と異なり、合成する凸面形状の度数を調整することにより、焦点シフト量を自由に調整することができるので、さらに近距離にシフトさせて、至近距離で深い被写界を得ることができる（例えば、５ｍ〜１６ｍ）。
さらに、光学板の度数Ａを調整することによって、適用する距離を変えることができる。例えば、焦点シフト量や光学板の度数Ａを大きくすれば、もっと近距離の広範囲を見ることができるので、目的に応じた設計にすればよい。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
上記の説明に於いては、撮像レンズに適用する場合を示したが、ここで言う撮像レンズとしては、眼球のレンズでもよい。この場合は、本発明を眼鏡などに適用することになり、高速移動体の操縦者が用いることで、眼球の焦点調整機能の負担を軽減することができる。また、例えば光ファイバに光信号を入力する際にあるいは高密度記憶用円盤からの反射光を検出する際に用いる、微小な点に集光するための集光レンズであってもよい。この場合には、本発明は、光源あるいは反射点からの距離のずれの許容値を緩和できる。
【００６５】
また、本発明は、軸対称なレンズに限る必要はない。例えば、円筒レンズを用いた光学系に適用することによっても、上記の効果を得ることができる。また、楕円型開口の光学系にも本発明を適用することができる。さらに、有効開口内で内側領域として設定される位相制御領域あるいは位相を制御しない平面形状領域の中心が有効開口の中心軸に対してずれていても、同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００６６】
１撮像カメラ用光学板
２撮像レンズ
３理想的な撮像レンズ通過後の光の波面
４本発明の場合の表面形状によって得られる撮像レンズによる波面
５焦点
６実線
７破線
８第１の領域
９第２の領域

Claims

撮像カメラの有効開口径と同じ有効開口径をもち、該撮像カメラの前に付けて用いることで被写界深度を深くすることができ、入射面あるは出射面の有効開口内で第１の領域と第２の領域とを備え光軸に直交する光学板で、
第１の領域は、有効開口に対して５割以上の面積比を有する内側領域であって、その入射面あるいは出射面の面形状の曲率は光軸から周辺に行くほど大きくなり、その厚みは中心から周辺に行くほど厚くなるようにして、透過した光の位相が中心から周辺に行くほど遅れるようにした領域であり、
第２の領域は、第１の領域を取り囲むその残りの外側領域であって、この領域は平行平面板の形状をもち、この領域を透過した光の位相は透過位置依存性がない領域である、ことを特徴とする撮像カメラ用光学板。
撮像カメラの有効開口径と同じ有効開口径をもち、該撮像カメラの前に付けて用いることで被写界深度を深くすることができ、第１の領域と第２の領域とを備え光軸に直交する光学板で、
第１の領域は、有効開口に対して５割以上の面積比を有する外側領域であって、その入射面あるいは出射面の面形状の曲率は第１の領域と第２の領域との境界から周辺に行くほど大きくなり、その厚みは上記境界から周辺に行くほど厚くなるようにして、透過した光の位相が上記境界から周辺に行くほど遅れるようにした領域であり、
第２の領域は、第１の領域に取り囲まれるその残りの内側領域であって、この領域は平行平面板の形状をもち、この領域を透過した光の位相は透過位置依存性がない領域である、ことを特徴とする撮像カメラ用光学板。
撮像カメラの有効開口径と同じ有効開口径をもち、該撮像カメラの前に付けて用いることで被写界深度を深くすることができ、入射面あるいは出射面が第１の形状と第２の形状とを合成した形状をもち、光軸に直交する光学板で、
第１の形状は、軸対称であり、面形状の曲率は光軸から周辺に行くほど大きくなり、その厚みは中心から周辺に行くほど厚くなるようにして、透過した光の位相が中心から周辺に行くほど遅れるようにした凹面の形状であり、
第２の形状は、軸対称であり、焦点位置を遠距離から近距離側にシフトさせる機能を持つ面形状の曲率が一定の凸面の形状である、ことを特徴とする撮像カメラ用光学板。