JPWO2009069752A1

JPWO2009069752A1 - 撮像装置および電子機器

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Publication number: JPWO2009069752A1
Application number: JP2009543873A
Authority: JP
Inventors: 林　佑介; 佑介林; 直人大原; 丈也杉田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2011-04-21
Also published as: US8605192B2; US20100302412A1; EP2221652A1; WO2009069752A1; EP2221652A4

Abstract

撮像装置２００は、収差を意図的に発生させる収差制御機能を有する収差制御光学系２１０および撮像素子２２０と、１次画像を高精細な最終画像に形成する画像処理装置２４０とを含む。収差制御光学系２１０Ａは、収差を意図的に発生させる収差制御機能を持つ収差制御素子を含む、もしくは収差制御機能を有する収差制御面を内包する収差制御光学系を用いてＰＳＦを２画素以上にまたがるようにし、所定の周波数において偽解像しない主像面シフト領域でディフォーカスに対するＭＴＦ特性が２つ以上のピークを持つ深度拡張光学系として形成されている。その結果、光学系を簡単化でき、コスト低減を図ることができることはもとより、画像復元処理を施さなくても深度拡張することができ、適切な画質のノイズの影響が小さい良好な画像を得ることが可能となる。

Description

本発明は、撮像素子を用い、光学系を有する撮像装置および電子機器に関するものである。

近年急峻に発展を遂げている情報のデジタル化に相俟って映像分野においてもその対応が著しい。
特に、デジタルカメラに象徴されるように撮像面は従来のフィルムに変わって固体撮像素子であるＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ），ＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサが使用されているのが大半である。

このように、撮像素子にＣＣＤやＣＭＯＳセンサを使った撮像レンズ装置は、被写体の映像を光学系により光学的に取り込んで、撮像素子により電気信号として抽出する。
この種の撮像レンズ装置は、デジタルスチルカメラの他、ビデオカメラ、デジタルビデオユニット、パーソナルコンピュータ、携帯電話機、携帯情報端末（ＰＤＡ：ＰｅｒｓｏｎａｌＤｉｇｉｔａｌＡｓｓｉｓｔａｎｔ）、画像検査装置、自動制御用産業カメラ等に用いられている。

図１は、一般的な撮像レンズ装置の構成および光束状態を模式的に示す図である。
この撮像レンズ装置１は、光学系２とＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子３とを有する。
光学系は、物体側レンズ２１，２２、絞り２３、および接合レンズ２４を物体側（ＯＢＪＳ）から撮像素子３側に向かって順に配置されている。

撮像レンズ装置１においては、図１に示すように、ベストフォーカス面を撮像素子面上に合致させている。
図２Ａ〜図２Ｃは、撮像レンズ装置１の撮像素子３の受光面でのスポット像を示している。

また、位相板により光束を規則的に分散し、デジタル処理により復元させ被写界深度の深い画像撮影を可能にする等の撮像装置が提案されている（たとえば非特許文献１，２、特許文献１〜５参照）。
また、伝達関数を用いたフィルタ処理を行うデジタルカメラの自動露出制御システムが提案されている（たとえば特許文献６参照）。

また、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどの画像入力機能を持った装置においては、たとえば風景など、所望の映像とともに、バーコード等の近接静止画像を読み取ることが、極めて有用であることが多い。
バーコードの読み取りは、たとえば第一の例としてレンズを繰り出すオートフォーカスでピントを合わせる技術や、第二の例として深度拡張技術としては、たとえばカメラにおいてＦ値を絞ることで被写界深度を広げて固定ピントとしているものが知られている。

"Wavefront Coding;jointly optimized optical and digital imaging systems",Edward R.Dowski,Jr.,Robert H.Cormack,Scott D.Sarama. "Wavefront Coding;A modern method of achieving high performance and/or low cost imaging systems",Edward R.Dowski,Jr.,Gregory E.Johnson. ＵＳＰ６，０２１，００５ＵＳＰ６，６４２，５０４ＵＳＰ６，５２５，３０２ＵＳＰ６，０６９，７３８特開２００３−２３５７９４号公報特開２００４−１５３４９７号公報

上述した各文献にて提案された撮像装置においては、その全ては通常光学系に上述の位相板を挿入した場合のＰＳＦ（Ｐｏｉｎｔ−Ｓｐｒｅａｄ−Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）が物体距離によらず一定になっていることが前提である。その結果、ＰＳＦが変化した場合は、その後のカーネルを用いたコンボリューションにより、被写界深度の深い画像を実現することは極めて難しい。
したがって、単焦点でのレンズではともかく、ズーム系やＡＦ系などのレンズでは、その光学設計の精度の高さやそれに伴うコストアップが原因となり採用するには大きな問題を抱えている。
換言すれば、従来の撮像装置においては、適正なコンボリューション演算を行うことができず、ワイド（Ｗｉｄｅ）時やテレ（Ｔｅｌｅ）時のスポット（ＳＰＯＴ）像のズレを引き起こす非点収差、コマ収差、ズーム色収差等の各収差を無くす光学設計が要求される。
しかしながら、これらの収差を無くす光学設計は光学設計の難易度を増し、設計工数の増大、コスト増大、レンズの大型化の問題を引き起こす。

また、上記技術では、画像復元処理後の画像はアウトフォーカスとなるに伴い、復元結果が良好ではなくなる。
これはアウトフォーカス時の光学的伝達関数（ＯＴＦ：ＯｐｔｉｃａｌＴｒａｎｓｆｅｒＦｕｎｃｔｉｏｎ）が一定であれば良好な復元結果となるのであるが、現実問題ＯＴＦは劣化してくる。そして、復元処理を行ってもボカして復元するという工程上、完全には復元しない。
そのため、良好な復元画を得ることが困難である。

すなわち、上述した技術では、画像復元処理が前提となっていて画像処理に伴うノイズ、コストの増加が問題となる。さらに復元処理にはＯＴＦが物体距離に依存してはならないため、アウトフォーカスしてもＯＴＦが一定となる光学系を設計しなければならない。

また、上記提案されている位相変調素子は、物体距離に対する変調伝達関数（ＭＴＦ：ＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＴｒａｎｓｆｅｒＦｕｎｃｔｉｏｎ）の変化が小さくなるようにする効果があるが、その際にＭＴＦの値は一様に低いものとなってしまう。
これにピント復元の画像処理を施すことによって深度拡張効果を得ることができる。
したがって、ピント復元の画像処理を施さなければ、画質は非常に劣化した状態のものとなる。

本発明は、光学系を簡単化でき、コスト低減を図ることができることはもとより、画像復元処理を施さなくても深度拡張することができ、要望される物体距離に対して十分な性能を持たせることが可能で、適切な画質のノイズの影響が小さい良好な画像を得ることが可能な撮像装置および電子機器を提供することにある。

本発明の第１の観点の撮像装置は、レンズと収差を発生させる収差制御機能を有する収差制御部を含む収差制御光学系と、前記収差制御光学系を通過した被写体像を撮像する撮像素子と、を有し、前記収差制御機能により、前記撮像素子における点像強度分布(ＰＳＦ)が２画素以上にまたがる。

好適には、前記収差制御機能は、球面収差を発生させ、深度を拡張させる機能を含む。

好適には、前記収差制御光学系のディフォーカスに対するＭＴＦにおいて、任意の周波数の主像面シフト領域で２つ以上のピークを含む。

好適には、前記収差制御光学系の球面収差の縦収差特性において少なくとも１つの変曲点を有する。

好適には、前記収差制御部は、ディフォーカスに対する変調伝達関数（ＭＴＦ）のピーク位置が周波数によって異なる特性を有する。

好適には、前記収差制御光学系のディフォーカスに対するＭＴＦのピーク位置が、低周波側で近距離側に位置し、高周波側で遠距離側に位置する。

好適には、前記収差制御光学系は、絞りを含み、前記収差制御素子または収差制御面が前記絞りの近傍に配置されている。あるいは前記収差制御素子自体が絞りの機能を有する。

好適には、前記収差制御面を含むレンズの焦点距離の絶対値が前記光学系全体の焦点距離の絶対値に対して大きい。あるいは、前記収差制御素子の焦点距離の絶対値が前記光学系全体の焦点距離の絶対値に対して大きい。

好適には、前記撮像素子で得られた画像信号に対して画像処理を施し、前記収差制御光学系の収差により低下したコントラストを向上させる画像処理部を有する。

本発明の第２の観点の電子機器は、撮像装置を有し、前記撮像素子は、レンズと収差を発生させる収差制御機能を有する収差制御部を含む収差制御光学系と、前記収差制御光学系を通過した被写体像を撮像する撮像素子と、を有し、前記収差制御機能により、前記撮像素子における点像強度分布(ＰＳＦ)が２画素以上にまたがる。

本発明によれば、光学系を簡単化でき、コスト低減を図ることができることはもとより、画像復元処理を施さなくても深度拡張することができ、要望される物体距離に対して十分な性能を持たせることが可能で、適切な画質のノイズの影響が小さい良好な画像を得ることができる。

図１は、一般的な撮像レンズ装置の構成および光束状態を模式的に示す図である。図２Ａ〜図２Ｃは、図１の撮像レンズ装置の撮像素子の受光面でのスポット像を示す図であって、図２Ａは焦点が０．２ｍｍずれた場合（Ｄｅｆｏｃｕｓ＝０．２ｍｍ）、図２Ｂが合焦点の場合（Ｂｅｓｔｆｏｃｕｓ）、図２Ｃが焦点が−０．２ｍｍずれた場合（Ｄｅｆｏｃｕｓ＝−０．２ｍｍ）の各スポット像を示す図である。図３は、本発明の実施形態に係る情報コード読取装置の一例を示す外観図である。図４Ａ〜図４Ｃは、情報コードの例を示す図である。図５は、図２の情報コード読取装置に適用される撮像装置の構成例を示すブロックである。図６は、本実施形態に係る収差制御光学系を形成する撮像レンズユニットの基本構成例を示す図である。図７Ａ〜図７Ｃは、本実施形態に係る収差制御光学系の球面収差発生量について説明するための図であって、撮像素子(センサ)を固定したときのセンサとＰＳＦとの関係を示す図である。図８Ａ〜図８Ｃは、本実施形態に係る収差制御光学系の球面収差発生量について説明するための図であって、収差制御光学系を固定したときのセンサとＰＳＦとの関係を示す図である。図９Ａ〜図９Ｃは、通常光学系および本実施形態に係る収差制御光学系のディフォーカスに対するＭＴＦの状態を示す図である。図１０Ａ〜図１０Ｃは、高周波のＯＴＦ変動を抑えた収差制御光学系における任意の周波数でディフォーカスに対するＭＴＦが２分できることを示す図である。図１１Ａ〜図１１Ｃは、低周波のＯＴＦ変動を抑えた収差制御光学系における任意の周波数でディフォーカスに対するＭＴＦが２分できることを示す図である。収差制御面の焦点距離の絶対値が光学系全体の焦点距離の絶対値より小さい光学系によるスポット像を示す図である。収差制御面の焦点距離の絶対値が光学系全体の焦点距離の絶対値より大きい本実施形態に係る光学系によるスポット像を示す図である。図１４は、本実施形態に係る画像処理装置におけるＭＴＦ補正処理を説明するための図である。図１５は、本実施形態に係る画像処理装置におけるＭＴＦ補正処理を具体的に説明するための図である。図１６は、通常の光学系の場合において物体が焦点位置にあるときと焦点位置から外れたときのＭＴＦのレスポンス（応答）を示す図である。図１７は、収差制御素子を有する本実施形態の光学系の場合において物体が焦点位置にあるときと焦点位置から外れたときのＭＴＦのレスポンスを示す図である。図１８は、本実施形態に係る撮像装置の画像処理後のＭＴＦのレスポンスを示す図である。

符号の説明

２００・・・撮像装置、２１０・・・収差制御光学系、２１１・・・第１レンズ、２１２・・・第２レンズ、２１３・・・第３レンズ、２１３ａ・・・収差制御面、２１４・・・絞り、２１５・・・第４レンズ、２２０・・・撮像素子、２３０・・・アナログフロントエンド部（ＡＦＥ）、２４０・・・画像処理装置、２５０・・・カメラ信号処理部、２８０・・・操作部、２９０・・・制御装置、ＭＳＡＲ・・・主像面シフト領域。

以下、本発明の実施形態を添付図面に関連付けて説明する。

図３は、本発明の実施形態に係る情報コード読取装置の一例を示す外観図である。
図４Ａ〜図４Ｃは、情報コードの例を示す図である。
図５は、図３の情報コード読取装置に適用可能な撮像装置の構成例を示すブロックである。
なおここでは、本実施形態の撮像装置が適用可能な電子機器として、情報コード読取装置を例示している。

本実施形態に係る情報コード読取装置１００は、図３に示すように、本体１１０がケーブル１１１を介して図示しない電子レジスタ等の処理装置と接続され、たとえば読み取り対象物１２０に印刷された反射率の異なるシンボル、コード等の情報コード１２１を読み取り可能な装置である。
読み取り対象の情報コードとしては、たとえば図４Ａに示すような、ＪＡＮコードのような１次元のバーコード１２２と、図４Ｂおよび図４Ｃに示すようなスタック式のＣＯＤＥ４９、あるいはマトリックス方式のＱＲコードのような２次元のバーコード１２３が挙げられる。

本実施形態に係る情報コード読取装置１００は、本体１１０内に、図示しない照明光源と、図５に示すような撮像装置２００とが配置されている。

撮像装置２００は、後で詳述するように、光学系に収差制御部（収差制御面、または収差制御素子）を適用し、収差制御部により収差（本実施形態においては球面収差）を意図的に発生させ、ディフォーカスに対するＭＴＦのピーク位置が周波数によって異なる特性をもつように構成される。
換言すれば、撮像装置２００は、ＭＴＦにおいて任意の周波数の主像面シフト領域で１つではなく、２つ以上のピークを持たせるように構成される。
すなわち、撮像装置２００は、ＭＴＦピーク値の低下を抑えつつ深度拡張を可能にする収差制御光学系システムというシステムを採用し、ピント復元の画像処理を施さなくとも、ＪＡＮコードのような１次元のバーコードとＱＲコードのような２次元のバーコードのような情報コードを的確に高精度で読み取ることが可能に構成されている。

情報コード読取装置１００の撮像装置２００は、図５に示すように、収差制御光学系２１０、撮像素子２２０、アナログフロントエンド部（ＡＦＥ）２３０、画像処理装置２４０、カメラ信号処理部２５０、画像表示メモリ２６０、画像モニタリング装置２７０、操作部２８０、および制御装置２９０を有している。

図６は、本実施形態に係る収差制御光学系を形成する撮像レンズユニットの基本構成例を示す図である。

収差制御光学系２１０Ａは、被写体物体ＯＢＪを撮影した像を撮像素子２２０に供給する。また、収差制御光学系２１０Ａは、物体側から順に、第１レンズ２１１、第２レンズ２１２、第３レンズ２１３、絞り２１４、第４レンズ２１５、第５レンズ２１６が配置されている。
本実施形態の収差制御光学系２１０Ａは、第４レンズ２１５と第５レンズ２１６が接続されている。すなわち、本実施形態の収差制御光学系２１０Ａのレンズユニットは、接合レンズを含んで構成されている。

そして、本実施形態の収差制御光学系２１０Ａは、収差を意図的に発生させる収差制御機能を有する収差制御部として、収差制御面を適用した光学系として構成されている。
本実施形態においては、球面収差のみを発生させるために、収差制御面を挿入する必要がある。なお、収差制御効果を発現するためには別素子の収差制御素子を挿入しても良い。
その例を示すと図６Ａのようになり、通常の光学系に収差制御面(第３レンズＲ２面)を含んだ形となっている。
ここでいう収差制御面とは、収差制御素子の持つ収差制御効果をレンズ面に内包したものをいう。好適には収差制御面２１３ａは絞り２１４に隣接していることが好ましい。

また、収差制御面を絞り２１４の近傍に配置し、あるいは収差制御面自身に絞り機能を持たせ、収差制御面を最適化することにより、物体が画面の中心に写る場合も周辺に写る場合も均一な画質とすることが可能となり、撮像装置の最終出力画像信号として性能の高い固定焦点レンズとすることができる。

本実施形態の収差制御光学系２１０Ａは、収差制御機能を有する収差制御面を内包する収差制御光学系を用いてＰＳＦを２画素以上にまたがるようにし、所定の周波数において偽解像しない主像面シフト領域でディフォーカスに対するＭＴＦ特性が２つ以上のピークを持つ深度拡張光学系として構成される。

別の観点から、本実施形態の収差制御光学系２１０Ａは、収差制御機能を有する収差制御面を内包する収差制御光学系を用いて深度を拡張しながら、要求される物体距離に対して必要な周波数のＯＴＦを高くすることにより、撮影可能な物体距離範囲を広くする。この場合、収差制御面は、要求される性能に対して、ディフォーカスに対するＭＴＦのピーク位置が周波数によって適切に変えた特性を持つ。
換言すれば、本実施形態は、上述したように、収差制御光学系を用いてＰＳＦを２画素以上にまたがるようにし、所定の周波数において偽解像しない主像面シフト領域でディフォーカスに対するＭＴＦ特性が２つ以上のピークを持つ深度拡張光学系として構成される。

一般的な光波面変調機能を用いた深度拡張光学系ではＭＴＦ特性において１つのピークの裾野を広げて深度を拡張するが、これではそれと引き換えにＭＴＦ特性のピーク値が下がってしまう。
本実施形態においては、収差制御機能を用いてピークを複数持つようにすることで、ピーク値の低下を抑えつつ深度拡張を実現できる。
球面収差を適切に制御することで画像復元処理を施さなくても深度拡張することができる。
具体的には、本実施形態の収差制御光学系２１０Ａは、主に球面収差を発生させる収差制御部（収差制御素子、または収差制御面）によりディフォーカスに対するＭＴＦのピークを複数に分ける（ここでは２分）することでアウトフォーカスにおける深度を拡張する。そして、ピークを分割するために、球面収差に変曲点を持たせる。

また別の観点から考察すると、前述したように、一般的な光波面変調機能を用いた深度拡張光学系ではＭＴＦ特性において１つのピークの裾野を広げて深度を拡張するが、これではそれと引き換えにＭＴＦ特性のピーク値が一様に低いものとなってしまう。したがって、ピント復元の画像処理を施さなければ画質は非常に劣化したものとなる。
本実施形態においては、収差制御機能を用いてディフォーカスに対するＭＴＦのピーク位置が周波数によって異なる特性をもつようにすることで、要望される物体距離に対して十分な性能を持たせることが可能となり、ピーク値の低下を抑えつつ深度拡張を実現できる。
上述したと同様に、球面収差を適切に制御することで画像復元処理を施さなくても深度拡張することができる。

この場合において、本実施形態の収差制御光学系２１０Ａは、主に球面収差を発生させる収差制御部（収差制御素子、または収差制御面）によりディフォーカスに対するＭＴＦのピーク位置を周波数によって異なるようにすることで、要望される物体距離に対して十分な性能を持たせることが可能となる。そして、ディフォーカスに対するＭＴＦのピーク位置を周波数によって異ならせるために、球面収差に変曲点を持たせる。

以下、この収差制御光学系２１０Ａの特徴的な構成、機能についてさらに詳述する。

図７Ａ〜図７Ｃおよび図８Ａ〜図８Ｃは、本実施形態に係る収差制御光学系の球面収差発生量について説明するための図である。図７Ａ〜図７Ｃは撮像素子(センサ)を固定したときのセンサとＰＳＦとの関係を示し、図８Ａ〜図８Ｃは収差制御光学系を固定したときのセンサとＰＳＦとの関係を示している。

たとえば、撮像素子２２０はある画素ピッチを有するセンサであるとする。その場合に、本実施形態では、球面収差を発生させてＰＳＦを１画素ＰＸＬより大きくする必要がある。
図７Ｂおよび図８Ｂに示すように、１画素ＰＸＬの中にＰＳＦが納まってしまうサイズで球面収差を発生させてもそれは通常の光学系と同じである。通常光学系では一般的にピント位置の中心ＰＳＦのサイズが最小となる。
これに対して、本実施形態に係る収差制御光学系２１０Ａでは、図７Ｃに示すように、ＰＳＦはアウトフォーカスに限らずピント位置までも１画素ＰＸＬに収まらないサイズに制御される。

次に、収差制御光学系に適した撮像素子（センサ）選定について説明する。
たとえばあるＰＳＦサイズを持った収差制御光学系があるとすると、図８Ｃに示すように、センサの画素ピッチがＰＳＦのサイズより小さいものを選ぶことが好ましい。
仮に画素ピッチがＰＳＦより大きいものを選んだとすると通常光学系と同じとなってしまい、そこがピントとなってしまう。よって、その場合、収差制御光学系の球面収差の効果を有効に得ることができない。

図９Ａ〜図９Ｃは、通常光学系および本実施形態に係る収差制御光学系のディフォーカスに対するＭＴＦの状態を示す図である。
図９Ａは通常光学系のディフォーカスに対するＭＴＦの状態を示し、図９Ｂは本実施形態に係る収差制御光学系のディフォーカスに対するＭＴＦの状態を示し、図９Ｃは１つのピークを拡大したディフォーカスに対するＭＴＦの状態を示している。

通常の光学系では、図９Ａに示すように、ピント位置が一つで中心にある。両サイドにある二つ目の山は落ちきって反転しているため、偽解像となる。
そのため、解像する領域は網掛けで示す主像面シフト領域ＭＳＡＲとなる。通常光学系の１つのピークを深度拡張すると、図９Ｃに示すように、ＭＴＦは大きく劣化してしまう。

そこで、本実施形態に係る収差制御光学系のディフォーカスに対するＭＴＦでは、図９Ｂに示すように、通常光学系において一つのピークＰＫ１であったのを２つのピークＰＫ１１、ＰＫ１２に分割させている。
ＭＴＦは若干劣化するが、深度は２つに分割したことによって２倍程度に伸びていて、さらにひとつのピークを深度拡張するより劣化を抑えていることがわかる。

図１０Ａ〜図１０Ｃおよび図１１Ａ〜図１１Ｃは、本実施形態の収差制御光学系において、球面収差曲線（カーブ）によって任意の周波数でディフォーカスに対するＭＴＦが２分できることを説明する。

図１０Ａ〜図１０Ｃは、高周波のＯＴＦ変動を抑えた収差制御光学系における任意の周波数でディフォーカスに対するＭＴＦが２分できることを示す図である。
図１０Ａが球面収差カーブを示し、図１０Ｂが低周波での主像面シフト領域エリアＭＳＡＲのＭＴＦのピークの状態を示し、図１０Ｃが高周波での主像面シフト領域エリアＭＳＡＲのＭＴＦのピークの状態を示している。

図１１Ａ〜図１１Ｃは、低周波のＯＴＦ変動を抑えた収差制御光学系における任意の周波数でディフォーカスに対するＭＴＦが２分できることを示す図である。
図１１Ａが球面収差カーブを示し、図１１Ｂが低周波での主像面シフト領域エリアＭＳＡＲのＭＴＦのピークの状態を示し、図１１Ｃが高周波での主像面シフト領域エリアＭＳＡＲのＭＴＦのピークの状態を示している。

図１１Ａ〜図１１Ｃからわかるように、低周波の深度を伸ばすためには、球面収差の振幅を大きくすれば良い。
振幅の大きさをコントロールすることによって任意の周波数のディフォーカスＭＴＦを２分割することができる。つまり任意の周波数の深度を拡張することができる。

また、本実施形態の収差制御光学系２１０Ａにおいて、低周波では、ディフォーカスに対するＭＴＦのピーク位置が近側（近距離側）に位置し、高周波では、ディフォーカスに対するＭＴＦのピーク位置が遠側（遠距離側）に位置するような特性を有する。
この特性を有する収差制御素子（収差制御面）を持つことにより、要望される物体距離に対して十分な性能を持たせることが可能となる。
一般的に、物体距離が近い側では低周波、物体距離が遠い場合では高周波が必要とされるため、上記の収差制御素子を使用するとより性能を向上させることが可能となる。

ここで、本実施形態において高周波、低周波とは、使用する固体撮像素子（撮像素子２２０）の画素ピッチＰＴＣから決まるナイキスト周波数Ｎｆの半分以上の周波数を高周波、半分より小さい周波数を低周波と定義する。
ただし、ナイキスト周波数Ｎｆは下記の定義のとおりとする。
Ｎｆ＝１／（ＰＴＣ×２）

また、収差制御素子を絞り近傍におくことにより、物体が画面の中心に写る場合も周辺に写る場合も均一な画質とすることが可能となる。
また、収差制御素子を用いずに、光学系全体で、ディフォーカスに対するＭＴＦのピーク位置を周波数に対して異ならせることにより、通常の光学系よりも、要求される物体距離に対して、必要なＯＴＦを得る作用を持つことが可能となる。

また、本実施形態の収差制御光学系２１０Ａにおいては、収差制御面を含む第３レンズ２１３の焦点距離の絶対値が光学系２１０Ａ全体の焦点距離の絶対値に対して大きい。
また、本実施形態においては、収差制御素子の焦点距離の絶対値が光学系２１０全体の焦点距離の絶対値に対して大きい。
このように、収差制御面を含むレンズの焦点距離または収差制御素子の焦点距離の各絶対値が光学系全体の焦点距離の絶対値より大きくすることにより、収差制御面または収差制御素子の画面周辺部における影響を和らげ、画面内の中心、周辺によらず均一な画質が得られるようになる。

図１２は、収差制御面の焦点距離の絶対値が光学系全体の焦点距離の絶対値より小さい光学系によるスポット像を示す図である。
図１３は、収差制御面の焦点距離の絶対値が光学系全体の焦点距離の絶対値より大きい本実施形態に係る光学系によるスポット像を示す図である。

収差制御面の焦点距離の絶対値が光学系全体の焦点距離の絶対値より小さい場合、図１２に示すように、画面中心と周辺部でスポット像の大きさの差が大きい。したがって、この場合、画面全体で均一な画質が得られ難い。
これに対して、収差制御面の焦点距離の絶対値が光学系全体の焦点距離の絶対値より大きい本実施形態に係る光学系によれば、図１３に示しように、画面中心と周辺部でスポット像の大きさの差が小さい。したがって、本実施形態においては、画面内の中心、周辺によらず、画面全体で均一な画質が得られる。

以上、本実施形態に係る光学系の特徴的な構成、機能、効果について説明した。
以下に、撮像素子、画像処理部等の他の構成部分の構成、機能について説明する。

撮像素子２２０は、例えば、図６Ａに示すように、第５レンズ２１６側から、ガラス製の平行平面板（カバーガラス）２２１と、ＣＣＤあるいはＣＭＯＳセンサ等により構成される撮像素子の撮像面２２２が順に配置されている。
収差制御光学系２１０Ａを介した被写体ＯＢＪからの光が、撮像素子２２０の撮像面２２２上に結像される。
なお、撮像素子２２０で撮像される被写体分散像は、収差制御面２１３ａにより撮像素子２２０上ではピントが合わず、深度の深い光束とボケ部分が形成された像である。

そして、図５に示すように撮像素子２２０は、収差制御光学系２１０で取り込んだ像が結像され、結像１次画像情報を電気信号の１次画像信号ＦＩＭとして、アナログフロントエンド部２３０を介して画像処理装置２４０に出力する。
上述したように、撮像素子２２０は、ＣＣＤあるいはＣＭＯＳセンサ等により構成される。図５においては、撮像素子２２０を一例としてＣＣＤとして記載している。

アナログフロントエンド部２３０は、タイミングジェネレータ２３１、およびアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ２３２を有する。
タイミングジェネレータ２３１では、ＣＣＤ等により構成される撮像素子２２０の駆動タイミングを生成する。Ａ／Ｄコンバータ２３２は、撮像素子２２０から入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換し、このデジタル信号を画像処理装置２４０に出力する。

画像処理装置２４０は、前段のＡＦＥ２３０から出力される撮像画像のデジタル信号を入力し、エッジ強調等の画像処理を施し、収差制御光学系２１０の収差により低下したコントラストを向上させ、後段のカメラ信号処理部（ＤＳＰ）２５０に出力する。

カメラ信号処理部（ＤＳＰ）２５０は、入力した画像信号に対してカラー補間、ホワイトバランス、ＹＣｂＣｒ変換処理、圧縮、ファイリング等の処理を行い、処理後の画像信号の画像表示メモリ２６０への格納や画像モニタリング装置２７０への画像表示等を行う。

制御装置２９０は、露出制御を行う機能や、操作部２８０などの操作入力機能を有し、それらの入力に応じて、システム全体の動作を決定し、ＡＦＥ２３０、画像処理装置２４０、カメラ信号処理部２５０、絞り２１４等を制御し、システム全体の調停制御を司る。

以下、本実施形態の光学系、画像処理装置の構成および機能について具体的に説明する。

本実施形態においては、収差制御光学系を採用し、高精細な画質を得ることが可能で、しかも、光学系を簡単化でき、コスト低減を図ることが可能となっている。

画像処理装置２４０は、上述したように、撮像素子２２０による１次画像信号ＦＩＭを受けて、エッジ強調等の画像処理を施し、収差制御光学系２１０Ａの収差により低下したコントラストを向上させる処理等を施して高精細な最終画像ＦＮＬＩＭを形成する。

画像処理装置２４０のＭＴＦ補正処理は、たとえば図１４中に曲線Ａで示すように、本質的に低い値になっている１次画像のＭＴＦを、空間周波数をパラメータとしてエッジ強調、クロマ強調等の後処理にて、図１４中に曲線Ｂで示す特性に近づく（達する）ような補正を行う。
図１４中に曲線Ｂで示す特性は、たとえば本実施形態のように、収差制御部（収差制御面または収差制御光学素子）を用いない場合に得られる特性である。
なお、本実施形態における全ての補正は、空間周波数のパラメータによる。

本実施形態においては、図１４に示すように、光学的に得られる空間周波数に対するＭＴＦ特性曲線Ａに対して、最終的に実現したいＭＴＦ特性曲線Ｂを達成するためには、それぞれの空間周波数に対し、図１５に示すようにエッジ強調等の強弱を付け、元の画像（１次画像）に対して補正をかける。
たとえば、図１４のＭＴＦ特性の場合、空間周波数に対するエッジ強調の曲線は、図１５に示すようになる。

すなわち、空間周波数の所定帯域内における低周波数側および高周波数側でエッジ強調を弱くし、中間周波数領域においてエッジ強調を強くして補正を行うことにより、所望のＭＴＦ特性曲線Ｂを仮想的に実現する。

このように、実施形態に係る撮像装置２００は、基本的に、１次画像を形成する収差制御光学系２１０および撮像素子２２０と、１次画像を高精細な最終画像に形成する画像処理装置２４０からなり、光学系システムの中に、収差制御素子を新たに設けるか、またはガラス、プラスチックなどのような光学素子の面を収差制御用に成形したものを設けることにより、球面収差を意図的に発生させてＣＣＤやＣＭＯＳセンサからなる撮像素子２２０の撮像面（受光面）に結像させ、その結像１次画像を、画像処理装置２４０を通して高精細画像を得る画像形成システムである。
本実施形態では、撮像素子２２０による１次画像は深度が非常に深い光束条件にしている。そのために、１次画像のＭＴＦは本質的に低い値になっており、そのＭＴＦの補正を画像処理装置２４０で行う。

次に、本実施形態および通常光学系のＭＴＦのレスポンスについて考察する。

図１６は、通常の光学系の場合において物体が焦点位置にあるときと焦点位置から外れたときのＭＴＦのレスポンス（応答）を示す図である。
図１７は、収差制御素子を有する本実施形態の光学系の場合において物体が焦点位置にあるときと焦点位置から外れたときのＭＴＦのレスポンスを示す図である。
また、図１８は、本実施形態に係る撮像装置の画像処理後のＭＴＦのレスポンスを示す図である。

図からもわかるように、収差制御部（収差制御面または収差制御素子）を有する光学系の場合、物体が焦点位置から外れた場合でもＭＴＦのレスポンスの変化が収差制御部（収差制御面または収差制御素子）を挿入してない光学系よりも少なくなる。
この光学系によって結像された画像を、後段の画像処理装置２４０によって画像処理することにより、ＭＴＦのレスポンスが向上させることができる。
ただし、画像処理を行うとノイズが増加してしまう場合には、好適にはＭＴＦのレスポンスを向上させるような画像処理は行わないようにすることも可能である。
上述したように、目的に応じて意図的に収差を発生させる光学系を収差制御光学系という。

図１７に示した、収差制御光学系のＯＴＦの絶対値（ＭＴＦ）はナイキスト周波数において０．１以上であることが好ましい。
なぜなら、図１８に示した復元後のＯＴＦを達成するためには画像処理でゲインを上げることになるが、センサのノイズも同時に上げることになる。そのため、ナイキスト周波数付近の高周波ではできるだけゲインを上げずに画像処理を行うことが好ましい。
通常の光学系の場合、ナイキスト周波数でのＭＴＦが０．１以上あれば解像する。
したがって、画像処理前のＭＴＦが０．１以上あれば、画像処理でナイキスト周波数でのゲインを上げずに済む。画像処理前のＭＴＦが０．１未満であると、画像処理後の画像がノイズの影響を大きく受けた画像になるため好ましくない。

以上説明したように、本実施形態によれば、収差を意図的に発生させる収差制御機能を有する収差制御光学系２１０および撮像素子２２０と、１次画像を高精細な最終画像に形成する画像処理装置２４０とを含む。
収差制御光学系２１０Ａは、収差を意図的に発生させる収差制御機能を持つ収差制御部を内包する収差制御光学系を用いてＰＳＦを２画素以上にまたがるようにし、所定の周波数において偽解像しない主像面シフト領域でディフォーカスに対するＭＴＦ特性が２つ以上のピークを持つ深度拡張光学系として形成されている。
したがって、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。

本実施形態においては、収差制御機能を用いてディフォーカスに対するＭＴＦ特性において２つ以上のピークを複数持つようにすることで、ピーク値の低下を抑えつつ、収差制御素子を持たない一般的な光学系よりも深度を拡張できる。
すなわち、本実施形態によれば、球面収差を適切に制御することで、画像復元処理を施さなくても深度を拡張することができ、適切な画質の、ノイズの影響が小さい良好な画像を得ることが可能となる。

また、本実施形態においては、収差制御面を含むレンズの焦点距離または収差制御素子の焦点距離の各絶対値が光学系全体の焦点距離の絶対値より大きいことから、収差制御面または収差制御素子の画面周辺部における影響を和らげることができ、画面内の中心、周辺によらず画面全体で均一な画質が得られる利点がある。

また、本実施形態によれば、収差制御光学系２１０Ａは、ディフォーカスに対するＭＴＦのピーク位置が周波数によって異なる特性を有する。そして、収差制御光学系２１０Ａは、低周波では、ディフォーカスに対するＭＴＦのピーク位置が近側（近距離側）に位置し、高周波では、ディフォーカスに対するＭＴＦのピーク位置が遠側（遠距離側）に位置するような特性を有する。
したがって、本実施形態によれば、要望される物体距離に対して十分な性能を持たせることが可能となり、ピーク値の低下を抑えつつ深度拡張を実現できる。
その結果、球面収差を適切に制御することで画像復元処理を施さなくても深度拡張することができる。
すなわち、上述したように、本実施形態によれば、球面収差を適切に制御することで、画像復元処理を施さなくても深度を拡張することができ、適切な画質の、ノイズの影響が小さい良好な画像を得ることが可能となる。

また、難度が高く、高価でかつ大型化した光学レンズを必要とせずに、かつ、レンズを駆動させること無く、自然な画像を得ることができる利点がある。
そして、本実施形態に係る撮像装置２００は、デジタルカメラやカムコーダー等の民生機器の小型、軽量、コストに考慮が必要な光学システムに使用することが可能である。
また、収差制御光学系２１０の構成を簡単化でき、製造が容易となり、コスト低減を図ることができる。

なお、本実施形態に係る撮像装置２００が適用可能な電子機器としては、デジタルカメラやカムコーダー、スキャナ等の民生機器や画像検査装置等の産業機器等を含めた電子画像機器システムを例示することができる。

Claims

レンズと収差を発生させる収差制御機能を有する収差制御部を含む収差制御光学系と、
前記収差制御光学系を通過した被写体像を撮像する撮像素子と、を有し、
前記収差制御機能により、前記撮像素子における点像強度分布(ＰＳＦ)が２画素以上にまたがる
撮像装置。
前記収差制御機能は、球面収差を発生させ、深度を拡張させる機能を含む
請求項１記載の撮像装置。
前記収差制御光学系のディフォーカスに対するＭＴＦにおいて、任意の周波数の主像面シフト領域で２つ以上のピークを含む
請求項１記載の撮像装置。
前記収差制御光学系の球面収差の縦収差特性において少なくとも１つの変曲点を有する
請求項１記載の撮像装置。
前記収差制御部は、
ディフォーカスに対する変調伝達関数（ＭＴＦ）のピーク位置が周波数によって異なる特性を有する
請求項１記載の撮像装置。
前記収差制御光学系のディフォーカスに対するＭＴＦのピーク位置が、低周波側で近距離側に位置し、高周波側で遠距離側に位置する
請求項５記載の撮像装置。
前記収差制御光学系は
絞りを含み、前記収差制御素子または収差制御面が前記絞りの近傍に配置されている
請求項１記載の撮像装置。
前記収差制御素子自体が絞りの機能を有する
請求項１記載の撮像装置。
前記収差制御面を含むレンズの焦点距離の絶対値が前記光学系全体の焦点距離の絶対値に対して大きい
請求項１記載の撮像装置。
前記収差制御素子の焦点距離の絶対値が前記光学系全体の焦点距離の絶対値に対して大きい
請求項１記載の撮像装置。
前記撮像素子で得られた画像信号に対して画像処理を施し、前記収差制御光学系の収差により低下したコントラストを向上させる画像処理部を有する
請求項１記載の撮像装置。
撮像装置を有し、
前記撮像素子は、
レンズと収差を発生させる収差制御機能を有する収差制御部を含む収差制御光学系と、
前記収差制御光学系を通過した被写体像を撮像する撮像素子と、を有し、
前記収差制御機能により、前記撮像素子における点像強度分布(ＰＳＦ)が２画素以上にまたがる
電子機器。
前記収差制御光学系のディフォーカスに対するＭＴＦにおいて、任意の周波数の主像面シフト領域で２つ以上のピークを含む
請求項１２記載の電子機器。
前記収差制御光学系の球面収差の縦収差特性において少なくとも１つの変曲点を有する
請求項１２記載の電子機器。
前記収差制御部は、
ディフォーカスに対する変調伝達関数（ＭＴＦ）のピーク位置が周波数によって異なる特性を有する
請求項１２記載の電子機器。
前記収差制御光学系のディフォーカスに対するＭＴＦのピーク位置が、低周波側で近距離側に位置し、高周波側で遠距離側に位置する
請求項１５記載の電子機器。