WO2015146506A1 - 位相フィルタ、撮像光学系、及び撮像システム - Google Patents

位相フィルタ、撮像光学系、及び撮像システム Download PDF

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崎田　康一
太田　光彦
島野　健
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日立マクセル株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B11/00—Filters or other obturators specially adapted for photographic purposes

Definitions

  • the present invention relates to an imaging system to which a technique for expanding the depth of field or the depth of focus is applied, a phase filter used therefor, and an imaging optical system.
  • the shape of the diaphragm needs to be rectangular, so that a severe accuracy is required for adjusting the optical axis between the diaphragm, the optical phase filter, and the lens. Therefore, there is a problem that the tolerance of the design error of the entire optical system is reduced.
  • an object of the present invention is to obtain a high-quality image by suppressing deterioration in image quality due to a ghost or the like in a phase filter, an imaging optical system, and an imaging system for enabling expansion of depth of field or depth of focus. It is to provide a suitable technique.
  • the phase filter of the present invention that solves the above problems includes a plurality of annular zones that are rotationally symmetric with respect to the optical axis, each annular zone having a cross-sectional shape defined by a concave or convex substantially parabola, At least one of the annular zones has a maximum depth in a concave cross-sectional shape defined by the substantially parabola, or a maximum height in a convex cross-sectional shape defined by the substantially parabola, It provides a phase of one wavelength or more of incident light.
  • the imaging optical system of the present invention includes a plurality of annular zones that are rotationally symmetric with respect to an optical axis, and each of the annular zones has a cross-sectional shape defined by a concave or convex substantially parabola, At least one of the bands has a maximum depth in a concave cross-sectional shape defined by the substantially parabola or a maximum height in a convex cross-sectional shape defined by the substantially parabola.
  • a phase filter that gives a phase of one wavelength or more is mounted on the imaging optical system.
  • the imaging system of the present invention includes a plurality of annular zones that are rotationally symmetric with respect to an optical axis, and each annular zone has a cross-sectional shape defined by a concave or convex substantially parabola, and each annular zone At least one of the ring zones has a maximum depth in a concave cross-sectional shape defined by the substantially parabola or a maximum height in a convex cross-sectional shape defined by the substantially parabola.
  • Deconvolution image processing is performed on an image captured by an imaging optical system in which a phase filter that gives a phase of one wavelength or more is mounted on the imaging optical system. According to such a configuration of the present invention, it is possible to avoid a change in the center of gravity of the point spread function and to suppress the occurrence of an image defect due to the rotational deviation of the optical axis in the phase filter.
  • the present invention it is possible to obtain a high-quality image by suppressing image quality deterioration due to a ghost or the like.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram of the imaging optical system carrying the phase filter of this embodiment. It is a top view which shows the structural example 1 of the phase filter in this embodiment. It is a sectional side view which shows the structural example 1 of the phase filter in this embodiment. It is a top view which shows the structural example 2 of the phase filter in this embodiment. It is a sectional side view which shows the structural example 2 of the phase filter in this embodiment. It is sectional drawing explaining the ring zone structure example 1 in this embodiment. It is a figure which shows the comparative example 1 of PSF and the prior art in the phase filter of this embodiment. It is a figure which shows the structural example of the imaging system using the phase filter of this embodiment. It is a top view which shows the structural example 3 of the phase filter in this embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an imaging optical system 150 on which the phase filter 101 of this embodiment is mounted.
  • FIG. 2 is a plan view showing a structural example 1 of the phase filter 101 in this embodiment.
  • FIG. 3 is a side sectional view showing Structural Example 1 of the filter 101.
  • the phase filter 101 has a disk-like outer shape and a rotationally symmetric shape with the optical axis 1 as the center. Further, in this phase filter 101, grooves having a substantially parabolic cross section, that is, concave surfaces 112 are formed in a plurality of rows at substantially equal intervals concentrically around the optical axis 1 described above.
  • the concave surface 112 formed concentrically around the optical axis 1 in this manner is referred to as an annular zone 111, and the annular zone 111 and the like are collectively referred to as an annular zone structure 110.
  • an annular structure 110 including only two rows of annular zones 111 is shown for the sake of simplicity of explanation. Actually, like the phase filter 101 of FIGS. 2 to 3, it has a ring zone structure 110 composed of a plurality of ring zones 111 (two or more rows).
  • the above-described annular zone 111 is a concave surface that acts as a concave lens in the radial direction of the pupil plane with respect to the light incident on the annular zone 111.
  • the width of the annular zone 111 in the phase filter 101 shown here is equal between the annular zones.
  • FIGS. 4 and 3 it is also possible to adopt a case where the cross-sectional shape of the annular zone 111 is not a concave shape but a convex shape.
  • the phase filter 101 includes a plurality of convex surfaces 113 having a substantially parabolic shape and a convex cross-sectional shape formed in a plurality of rows concentrically around the optical axis 1 described above at substantially equal intervals.
  • the annular zone 111 in this case is a convex surface that acts as a convex lens in the radial direction of the pupil plane with respect to the light rays incident on the annular zone 111.
  • the imaging lens 102 is disposed so that the phase filter 101 and the optical axis 1 are in common.
  • the imaging lens 102 is a lens that can form an image of the object space at a predetermined position on the optical axis 1 when the phase filter 101 is not provided.
  • the curvature of the concave surface 112 (or convex surface 113) of the phase filter 101 is set so that the diverging light becomes a locally substantially parallel light beam (on the paper surface) by the imaging lens 102.
  • substantially parallel refers to a state in which the light rays of each concave surface 112 (or convex surface 113) that have passed through each concave surface 112 (or convex surface 113) are substantially parallel after passing through the imaging lens 102.
  • the propagation direction of the local substantially parallel light beam is directed to the original focal position 3 along the refraction direction of the light beam 2 passing through the center of the annular zone 111.
  • a virtual tangential plane with respect to the concave surface 112 (or convex surface 113) at the center of the annular zone 111 is perpendicular to the optical axis 1 of the imaging lens 102, and the light beam passing therethrough is not refracted by the phase filter 101.
  • the phase filter 101 since it is incident on the image lens 102, it is clear that the light beam passes through the focal position 3 when the phase filter 101 is not provided.
  • the substantially parallel light fluxes from the plurality of annular zones 111 overlap in the range 104 in the optical axis direction in the vicinity of the focal point 3.
  • the light beam diverging and refracted by the imaging lens 102 from each annular zone 111 has been described as a substantially parallel light beam.
  • the propagation form is a light beam propagating along the side surface of the cone.
  • each annular zone 111 is represented by a conic represented by (Equation 1).
  • the uneven shape of the annular zone 111 may be concave as shown in FIGS. 2 and 3 or convex as shown in FIGS.
  • PSFi represents the contribution of the i-th annular zone 111 to the PSF.
  • J0 (•) is a 0th-order first-order Bessel function
  • ⁇ is the diameter of the PSF
  • W20 is the defocus amount
  • ⁇ i is the diameter of the i-th annular zone 111.
  • the Bessel function is an oscillation function, when the oscillation of the phase term of the integrand is sufficiently faster than the oscillation of the Bessel function, a stationary phase approximation solution can be applied.
  • This application condition is that the height in the cross-sectional shape of the annular zone 111 (the height from the cross-section bottom 120 to the surface 121 of the annular zone 111) corresponds to several times the wavelength ⁇ of the incident light to the phase filter 101 To establish.
  • the wavelength ⁇ of the incident light is assumed to be a representative value in the wavelength region when having a wavelength region width like white light.
  • the contribution to the PSF in each annular zone 111 is calculated by the stationary phase approximate solution, It becomes. It can be seen that the contribution of any annular zone 111 to the PSF can be made almost insensitive to the defocus W20.
  • the width of each annular zone 111 is the same, and the phase given by each annular zone 111 is twice the wavelength of incident light, that is, 2 ⁇ , in the sectional shape of the annular zone 111.
  • the height (height from the cross-section bottom 120 to the surface 121 of the annular zone 111) is set.
  • FIG. 7 is a diagram showing the PSF in the optical axis direction calculated using the phase filter 101 of the present embodiment and assuming that the object to be imaged is 1 m from the optical system.
  • a PSF when the phase filter 101 of the present embodiment is employed and a PSF in a conventional optical system that does not use the phase filter 101 of the present embodiment are shown together.
  • the relationship between the position in the optical axis direction and the PSF is very sensitive, the position on the optical axis shifts even a little, and the defocus increases even a little.
  • the PSF changes rapidly, when the phase filter 101 of the present embodiment is employed, the PSF can be kept substantially constant over a wide range.
  • the height (depth) of the sectional shape of each annular zone 111 is set to the wavelength ⁇ of incident light.
  • the phase filter 101 in this embodiment can employ quartz glass having a refractive index n1 as a material.
  • an unevenness is formed as a cross-sectional shape of each annular zone 111 by using an existing pattern forming technique and etching technique for quartz glass.
  • the groove shape is formed on the quartz glass using a high hardness cutting tool such as diamond, so that the sectional shape of each annular zone 111 is uneven (particularly, A technique for forming a concave groove) may be employed.
  • the phase filter 101 may be formed by forming a thick plate having unevenness as a mold and performing plastic injection molding using this mold.
  • the phase filter 101 may be formed on a transparent flat substrate by disposing a convex member or a concave member having a refractive index n1 in a ring shape centered on the optical axis.
  • the phase filter 101 of the present embodiment has a rotationally symmetric shape with the optical axis as the center, the above-described processing can be created by appropriately adopting conventional processing techniques, and the efficiency in manufacturing can be improved. The labor is improved compared to the production of the rectangular phase filter.
  • the imaging optical system 150 using the phase filter 101 of the above-described embodiment and an imaging system 300 that performs image processing on an image captured by the imaging optical system 150 will be described with reference to FIG. .
  • the object 301 exists at a relatively short distance from the imaging optical system 150 and the object 302 exists at a far distance.
  • the front lens group 151 that condenses the reflected light of the objects 301 and 302, the phase filter 101 of the present embodiment that processes the light collected by the front lens group 151 as incident light, A diaphragm 152 that is behind the phase filter 101 and adjusts the amount of light (circular in accordance with the phase filter 101), a rear lens group 153 that processes light adjusted by the diaphragm 152 (that is, the imaging lens 102), At least.
  • the reflected light of the object 301 and the object 302 is incident on the phase filter 101 via the front lens group 151 in the imaging optical system 150, and the light from the phase filter 101 is transmitted to the aperture 152 and the rear lens group. It enters the rear lens group 153 via 153 and forms images 303 and 304 that are uniformly blurred in the direction of the optical axis 1 (by the above-described smoothing of the point image distribution in the focal direction). Therefore, the imaging system 300 has a configuration in which the image sensor 305 is disposed at a position where the images 303 and 304 and the like overlap in the optical axis direction.
  • the imaging system 300 converts the output signal from the image sensor 305 described above into an appropriate still image or video image format and outputs it as an image signal while maintaining the highest resolution information that can be output by the image sensor 305.
  • An image signal output circuit 306 is provided.
  • the imaging system 300 includes a monitor output generation circuit 307 that receives the image signal output from the image signal output circuit 306, converts the image signal into a format that can be displayed on the display, and outputs the image signal on the monitor display 308.
  • the images displayed on the monitor display 308 are images 303 and 304 in which the near object 301 and the distant object 302 are uniformly blurred, as schematically shown in FIG. However, since such monitor output processing is not essential for the imaging system 300, there is no problem even if the monitor display 308 and the monitor output generation circuit 307 are not included.
  • the imaging system 300 also includes a deconvolution preprocessing circuit 309 and a deconvolution filter circuit 310.
  • the output signal from the image signal output circuit 306 described above is branched and input to the deconvolution preprocessing circuit 309.
  • the deconvolution preprocessing circuit 309 converts the digital image data format suitable for the filter operation in the deconvolution filter circuit 310.
  • the output signal of the deconvolution preprocessing circuit 309 is filtered by the deconvolution filter circuit 310 and input to the second monitor output generation circuit 311.
  • the second monitor output generation circuit 311 converts the input signal from the deconvolution filter circuit 310 into an arbitrary general still image or moving image format, and outputs and displays it as an output signal on the second monitor display 312.
  • the cross-sectional bottom 120 in the concave or convex cross-sectional shape is offset by a predetermined height in the radial direction of the pupil plane with respect to the incident light between at least one of the above-mentioned respective annular zones 111.
  • the configuration will be described.
  • the PSF is further homogenized not only by the effect of the annular zone 111 having a substantially parabolic shape in cross section but also by the effect of adding the height offset as described above to each annular zone 111.
  • FIG. 9 is a plan view showing Structural Example 3 of the phase filter 101 in the present embodiment
  • FIG. 10 is a side sectional view of the same.
  • the cross-sectional bottom 120 in the cross-sectional shape is offset by a predetermined height in the radial direction of the pupil plane with respect to the incident light.
  • the relationship between the conic curve (substantially parabola) corresponding to the cross-sectional structure of each annular zone 111 and the offset is as shown in FIG.
  • the separation distance (height) between the cross-sectional bottom 120 of each annular zone 111 and the cross-sectional bottom 122 of the adjacent annular zone 111 is defined as the offset distance.
  • the above-described offset is made in the direction from the back surface (surface from which incident light is emitted) of the phase filter 101 toward the surface 121 of the phase filter 101, and the cross-sectional shape closest to the phase filter central axis 105 is obtained.
  • An offset 107 is generated in total from the cross-section bottom 120 to the cross-section bottom 120 in the cross-sectional shape closest to the phase filter outer edge 106.
  • the phase given to the 50 annular zones 111 in the phase filter 101 by the height defined by the conic curve is 2 ⁇ (twice the wavelength of the incident light). Is set.
  • Each annular zone 111 in this example is given an offset that gradually increases from 0 to ⁇ , that is, monotonously increases from the phase filter central axis 115 toward the outer edge 106.
  • an offset that gradually increases from ⁇ to 0, that is, monotonously decreases from the phase filter central axis 115 toward the outer edge 106 may be a given configuration.
  • the offset in each annular zone 111 does not simply increase or decrease as it goes from the phase filter center axis 115 toward the outer edge 106, but is simply increased or decreased.
  • the offsets may be replaced at random (however, the total offset 107 between the annular zones 111 is the same as the total offset when the offset is simply increased or decreased).
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of a PSF in the prior art
  • FIG. 14 is a diagram showing an example of a PSF in the phase filter of this embodiment.
  • FIG. 7 the absolute value of the contribution to the PSF in each annular zone 111 is added to show the effect, but here, the calculation result including the phase is shown.
  • a normal imaging optical system such as a camera is an incoherent optical system in a wide wavelength range, and the contribution to the PSF in each annular zone 111 is not examined including the phase, but here, a uniform and stable PSF is used.
  • FIG. 13 shows the PSF in the optical axis direction when the above-described offset is not set
  • FIG. 14 shows the PSF in the optical axis direction when the offset is given.
  • FIG. 19 is a plan view showing a structural example 6 of the phase filter 101 in the present embodiment
  • FIG. 20 is a side sectional view of the same.
  • the ring zone width 108 in the phase filter 101 is monotonously decreased from the phase filter central axis 115 toward the outer edge 106, thereby reducing the area of the ring zone 111. It can be made substantially constant, and each ring zone component of the PSF can be adjusted.
  • PSF is also rotationally symmetric and isotropically expanded, so that a restored image by signal processing does not have directionality, and adverse effects due to optical axis rotation deviation in the phase filter can be suppressed.
  • the fact that PSF is rotationally symmetric leads to a reduction in the amount of processing data, it is possible to reduce the memory for storing the coefficient matrix used for signal processing, and to downsize the signal processing circuit.
  • the fact that the shape of the phase filter is rotationally symmetric makes it possible to create the mold used for molding by rotary lathe processing, which can reduce processing time and manufacturing costs compared to rectangular phase filters. It becomes.
  • the bottom position in the concave or convex cross-sectional shape between at least one of the annular zones is a predetermined height in the radial direction of the pupil plane with respect to incident light.
  • An offset structure may be provided.
  • phase filter of the present embodiment may have a structure in which the height of the offset is different between the annular zones.
  • phase filter of the present embodiment may have a structure in which the height of the offset between the annular zones monotonously increases or decreases monotonously from the optical axis toward the peripheral edge of the phase filter.
  • the efficiency of forming the annular zone in the phase filter is improved, and it becomes possible to achieve further homogenization of PSF under excellent manufacturing cost and efficiency.
  • the width of the annular zone may be equal between the annular zones.
  • the efficiency of the annular zone formation in the phase filter is improved, and the cost and time required for the phase filter manufacturing can be reduced.

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Abstract

　本発明は、点像分布関数の重心変化を回避し、位相フィルタにおける光軸の回転ずれによる画像の不具合発生を抑制可能とすることを目的とする。　本発明は、位相フィルタ１０１において、光軸に対して回転対称な複数の輪帯１１１を備え、各輪帯１１１が凹状又は凸状の略放物線で規定される断面形状を有し、各輪帯１１１のうち少なくともいずれかの輪帯は、略放物線で規定された凹状の断面形状での最大深さ、または略放物線で規定された凸状の断面形状での最大高さが、入射光の一波長以上の位相を与えるものとする。

Description

位相フィルタ、撮像光学系、及び撮像システム
　本発明は、被写界深度または焦点深度を拡大する技術を適用した撮像システム及びこれに用いられる位相フィルタ、撮像光学系に関する。
＝＝＝参照による取り込み＝＝＝
　本出願は、２０１４年３月２７日に出願された日本特許出願第２０１４－６５５４２号の優先権を主張し、その内容を参照することにより、本出願に取り込む。
　撮像カメラ光学系の瞳面において、瞳面内座標に対して点像分布関数（以下、ＰＳＦ：Ｐｏｉｎｔ　Ｓｐｒｅａｄ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）で与えられる位相分布を与えることによって焦点ずれに対する点像のぼけを均一化し、この均一なぼけを、デコンボリューションと称される画像処理によって除去して光学系の被写界深度や焦点深度を拡大するＷａｖｅｆｒｏｎｔ　Ｃｏｄｉｎｇ（以下ＷＦＣと略す）と呼ばれる技術（特許文献１参照）が提案されている。
　また、シーンを表す光を拡散し、アパーチャの座標に依存しない散乱関数を有するディフューザと、拡散されたシーンを表す光を受信し、画像を表すデータを生成するセンサと、点像分布関数を用いて画像のぼけを除去するハードウェアプロセッサを備えるシステム（特許文献２参照）なども提案されている。
米国特許第５，７４８，３７１号公報 特表２０１３－５１８４７４号公報
　ところが、上述のＷＦＣ技術において、位相変調用の光学位相フィルタが光軸に対して非回転対称な構造である場合、それに応じた問題が生じる。すなわち、合焦位置からのずれ量（デフォーカス量）に依存してＰＳＦの重心が移動してしまう問題が生じる。更にこの問題に伴い、信号処理により変調中間画像から上述の光学位相フィルタに起因する変調分を除去する際、方向性を持ったゴースト像を発生させる問題も生じる。さらに、光学位相フィルタが矩形状（図２１参照）であることに応じて、絞り形状も矩形とする必要があるため、絞りと光学位相フィルタとレンズの間の光軸調整に関してシビアな精度が求められ、光学システム全体の設計誤差の許容範囲を減少させるという問題点がある。
　他方、回転対称な光学位相フィルタを利用する場合であっても、従来技術においては、統計光学による確率モデルによって位相板の形状を決定するため、ディフューザの形状を一意に決定することができず、寸法精度などを明確に規定しにくいなどの製造面での課題が残されている。
　そこで本発明の目的は、被写界深度または焦点深度を拡大可能にするための位相フィルタ、撮像光学系、及び撮像システムにおいて、ゴースト等による画質劣化を抑制し高画質な画像を取得するのに好適な技術を提供することにある。
　上記課題を解決する本発明の位相フィルタは、光軸に対して回転対称な複数の輪帯を備え、前記各輪帯が凹状又は凸状の略放物線で規定される断面形状を有し、前記各輪帯のうち少なくともいずれかの輪帯は、前記略放物線で規定された凹状の断面形状での最大深さ、または前記略放物線で規定された凸状の断面形状での最大高さが、入射光の一波長以上の位相を与えるものである。
　また、本発明の撮像光学系は、光軸に対して回転対称な複数の輪帯を備え、前記各輪帯が凹状又は凸状の略放物線で規定される断面形状を有し、前記各輪帯のうち少なくともいずれかの輪帯は、前記略放物線で規定された凹状の断面形状での最大深さ、または前記略放物線で規定された凸状の断面形状での最大高さが、入射光の一波長以上の位相を与えるものである位相フィルタを、結像光学系に搭載する。
　また、本発明の撮像システムは、光軸に対して回転対称な複数の輪帯を備え、前記各輪帯が凹状又は凸状の略放物線で規定される断面形状を有し、前記各輪帯のうち少なくともいずれかの輪帯は、前記略放物線で規定された凹状の断面形状での最大深さ、または前記略放物線で規定された凸状の断面形状での最大高さが、入射光の一波長以上の位相を与えるものである位相フィルタを、結像光学系に搭載した撮像光学系にて撮像された画像に対し、デコンボリューション画像処理を行う。かかる本発明の構成によれば、点像分布関数の重心変化を回避し、位相フィルタにおける光軸の回転ずれによる画像の不具合発生を抑制可能となる。
　本発明によれば、ゴースト等による画質劣化を抑制し高画質な画像を取得することが可能となる。
本実施形態の位相フィルタを搭載した撮像光学系の模式図である。 本実施形態における位相フィルタの構造例１を示す平面図である。 本実施形態における位相フィルタの構造例１を示す側断面図である。 本実施形態における位相フィルタの構造例２を示す平面図である。 本実施形態における位相フィルタの構造例２を示す側断面図である。 本実施形態における輪帯構造例１を説明する断面図である。 本実施形態の位相フィルタにおけるＰＳＦと従来技術との比較例１を示す図である。 本実施形態の位相フィルタを用いた撮像システムの構成例を示す図である。 本実施形態における位相フィルタの構造例３を示す平面図である。 本実施形態における位相フィルタの構造例３を示す側断面図である。 本実施形態の輪帯の断面構造におけるコーニック曲線とオフセットの関係を示す図である。 本実施形態における輪帯構造例２を説明する断面図である。 従来技術におけるＰＳＦの例を示す図である。 本実施形態の位相フィルタにおけるＰＳＦの例を示す図である。 本実施形態における位相フィルタの構造例４を示す平面図である。 本実施形態における位相フィルタの構造例４を示す側断面図である。 本実施形態における位相フィルタの構造例５を示す平面図である。 本実施形態における位相フィルタの構造例５を示す側断面図である。 本実施形態における位相フィルタの構造例６を示す平面図である。 本実施形態における位相フィルタの構造例６を示す側断面図である。 従来の３次関数位相板を示す図である。
　以下に本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は本実施形態の位相フィルタ１０１を搭載した撮像光学系１５０の模式図であり、図２は本実施形態における位相フィルタ１０１の構造例１を示す平面図、図３は本実施形態における位相フィルタ１０１の構造例１を示す側断面図である。なお、図１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。
　図１～３にて示すように、位相フィルタ１０１は、外形が円盤状で光軸１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、略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１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１を中心に同心円状に形成された凹面１１２を輪帯１１１とし、輪帯１１１らを輪帯構造１１０と総称する。なお、図１の位相フィルタ１０１の例では、説明の簡略化のため２列の輪帯１１１のみからなる輪帯構造１１０を示している。実際には、図２～３の位相フィルタ１０１の如く、（２列以上の）多数列の輪帯１１１からなる輪帯構造１１０を有している。
　上述した輪帯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。一方、図４、３にて示すように、輪帯１１１における断面形状が、凹状ではなく凸状で構成される場合も採用できる。その場合の位相フィルタ１０１は、略放物線状で凸状の断面形状を有する凸面１１３が、上述の光軸１を中心に同心円状に略等間隔で複数列形成されている。従って、この場合の輪帯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凸レンズとして作用する凸面となる。
　他方、撮像光学系１５０においては、上述の位相フィルタ１０１と光軸１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１上の所定位置に結像させることができるレンズである。こうした結像レンズ１０２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（ないし凸面１１３）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、位相フィルタ１０１における凹面１１２（ないし凸面１１３）の曲率は設定されている。局所的に略平行とは、各凹面１１２（ないし凸面１１３）を通過した凹面１１２（ないし凸面１１３）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２の屈折方向に沿って元の焦点位置３に向かう。なぜなら輪帯１１１の中心での凹面１１２（ないし凸面１１３）に対する仮想的な接平面は、結像レンズ１０２の光軸１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３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３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、前記では各輪帯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１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。このような光束が、異なる角度で複数オーバーラップすることで、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。
　なお、図２、３に例示した位相フィルタ１０１において、各輪帯１１１での断面の略形状は、（式１）が示すコーニックで表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　ここでｙは深さ、ｘは高さ又は輪帯内の位置、Ｒは曲率半径、κはコーニック定数であり、κ＝１の時、この式は放物線を表す式となる。輪帯１１１の凹凸形状は、図２、３のように凹状であっても、図４、５のように凸状であっても良い。
　輪帯１１１における断面形状を放物線で近似すると、各輪帯１１１におけるＰＳＦへの寄与は次式で表すことが出来る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
　ここでＰＳＦｉは、ｉ番目の輪帯１１１のＰＳＦへの寄与を表す。Ｊ０（・）は０次の第一種ベッセル関数、ρはＰＳＦの径、Ｗ２０はデフォーカス量、ξiはｉ番目の輪帯１１１の径を示す。ベッセル関数は振動関数であるが、被積分関数の位相項の振動がベッセル関数の振動よりも十分に速い場合、停留位相近似解法が適用できる。この適用条件は、輪帯１１１の断面形状における高さ（断面底部１２０から輪帯１１１の表面１２１までの高さ）が、位相フィルタ１０１への入射光の波長λの数倍相当である場合に成立する。ここで入射光の波長λは、白色光のような波長領域幅を持つ場合は、波長領域内の代表値であるとする。この場合の各輪帯１１１におけるＰＳＦへの寄与を停留位相近似解法で計算すると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
　となる。どの輪帯１１１のＰＳＦへの寄与もデフォーカスＷ２０に対して略不感にできることが分かる。そこで、本実施形態の輪帯１１１における断面形状は、κ＝－１として、放物線形状を成し、直径３０ｍｍ、焦点距離５０ｍｍのレンズに対し、輪帯１１１の数を５０とした構造を採用した。また図６にて示すように、各輪帯１１１の幅はすべて同じであり、各輪帯１１１が与える位相が、入射光の波長の２倍すなわち２λになるよう、輪帯１１１の断面形状における高さ（断面底部１２０から輪帯１１１の表面１２１までの高さ）を設定している。
　図７は、本実施形態の位相フィルタ１０１を用い、撮像対象の物体が光学系から１ｍのところにあるものとして計算した光軸方向のＰＳＦを示す図である。ここでは、本実施形態の位相フィルタ１０１を採用した場合のＰＳＦと、本実施形態の位相フィルタ１０１を使用しない従来の光学系におけるＰＳＦとを合わせて示している。図７の例でも明らかなように、従来の光学系では、光軸方向の位置とＰＳＦとの関係が非常にセンシティブであり、光軸上の位置が少しでもずれて、デフォーカスが少しでも増加すると、ＰＳＦは急激に変化してしまうのに対し、本実施形態の位相フィルタ１０１を採用した場合は、広い範囲に渡ってＰＳＦを略一定に保つことができる。
　本実施形態の位相フィルタ１０１において、全体のＰＳＦは、各輪帯１１１のＰＳＦへの寄与の総和に相当するため、各輪帯１１１の断面形状における高さ（深さ）を入射光の波長λ以上の最大光路差を与えるよう構成することにより、各輪帯１１１のＰＳＦ寄与の焦点深度が深くなる。
　なお、本実施形態における位相フィルタ１０１は、素材として屈折率ｎ１の石英ガラスを採用できる。この場合、石英ガラスに対する既存のパターン形成技術とエッチング技術を利用することで、各輪帯１１１の断面形状として凹凸を形成することとなる。勿論、位相フィルタ１０１の製作技術としては、他にも、ダイヤモンド等の高硬度の切削工具を使用して石英ガラスに対して溝加工を施すことで、各輪帯１１１の断面形状として凹凸（特に凹となる溝）を形成する技術を採用しても良い。さらには、凹凸を有する厚盤を金型として形成し、この金型を利用してプラスチック射出成形を行って位相フィルタ１０１を形成するとしても良い。また、透明な平板状の基板に、屈折率ｎ１の凸状部材また凹状部材を光軸を中心とした輪帯状に配置することで位相フィルタ１０１を形成するとしても良い。いずれにしても、本実施形態の位相フィルタ１０１は、光軸を中心として回転対称の形状であるため、上述のごとき加工は従来から存在する加工技術を適宜採用すれば作成でき、製作における効率や手間は矩形の位相フィルタの製作時よりも改善されることになる。
　続いて、上述した本実施形態の位相フィルタ１０１を用いた撮像光学系１５０と、当該撮像光学系１５０にて撮像される画像に対し画像処理を施す撮像システム３００の構成について図８に基づき説明する。ここでは、撮像光学系１５０から比較的近い距離に物体３０１が存在し、遠い距離に物体３０２が存在している状況を想定する。また撮像光学系１５０においては、物体３０１、３０２らの反射光を集光する前玉レンズ群１５１、前玉レンズ群１５１が集光した光を入射光として処理する本実施形態の位相フィルタ１０１、位相フィルタ１０１の後方にあって光量を調整する絞り１５２（位相フィルタ１０１に合わせて円形である）、絞り１５２で光量調整された光を処理する後玉レンズ群１５３（すなわち結像レンズ１０２）、を少なくとも含む。
　この場合、上述の物体３０１、物体３０２の反射光が、撮像光学系１５０における前玉レンズ群１５１を介して位相フィルタ１０１に入射し、この位相フィルタ１０１からの光が絞り１５２および後玉レンズ群１５３を介して後玉レンズ群１５３に入射し、光軸１の方向にぼけ方が均一（上述した点像分布の焦点方向への平滑化による）な像３０３、３０４を形成することになる。そこで撮像システム３００においては、像３０３、３０４らが光軸方向にオーバーラップする位置に画像センサ３０５を配置した構成となっている。
　また、撮像システム３００は、上述の画像センサ３０５からの出力信号を、画像センサ３０５で出力可能な最高解像度の情報を保ったまま、適宜な静止画または動画の画像フォーマットに変換し画像信号として出力する画像信号出力回路３０６を備えている。また、撮像システム３００は、画像信号出力回路３０６で出力した画像信号を受けて、これをディスプレイ出力可能なフォーマットに変換し、モニタディスプレイ３０８で出力させるモニタ出力生成回路３０７を備えている。モニタディスプレイ３０８で表示される画像は、図８にて模式的に示す通り、近い物体３０１も、遠い物体３０２も一様にぼけた画像３０３、３０４が得られる。ただし、撮像システム３００として、こうしたモニタ出力処理は必須ではないため、モニタディスプレイ３０８、およびモニタ出力生成回路３０７を含まない構成としても問題ない。
　また、撮像システム３００は、デコンボリューション前処理回路３０９、およびデコンボリューションフィルタ回路３１０を備えている。撮像システム３００においては、上述の画像信号出力回路３０６からの出力信号を分岐して、デコンボリューション前処理回路３０９に入力する。これにより、デコンボリューション前処理回路３０９において、デコンボリューションフィルタ回路３１０でのフィルタ演算に適したデジタル画像データ形式に変換することとなる。また、このデコンボリューション前処理回路３０９の出力信号は、デコンボリューションフィルタ回路３１０にてフィルタ処理を行って第２のモニタ出力生成回路３１１に入力される。第２のモニタ出力生成回路３１１は、デコンボリューションフィルタ回路３１０からの入力信号を任意の一般の静止画、または動画の画像フォーマットに変換し、出力信号として第２のモニタディスプレイ３１２で出力表示させる。第２のモニタディスプレイ３１２で出力表示を行う場合、上述した、近い物体３０１にも遠い物体３０２にも焦点のあった画像が出力される。このとき、位相フィルタ１０１を用いているため、第２のモニタディスプレイ３１２での出力画像においては、撮像光学系１５０からの距離によって該当物体の画像位置がずれるようなことはなく、物体３０１、３０２の本来の位置を反映した位置に画像が形成される。
　続いて、上述の各輪帯１１１のうち少なくともいずれかの輪帯間で、凹状または凸状の断面形状における断面底部１２０を、入射光に対する瞳面の半径方向に所定高さオフセットした構造を備えた構成について説明する。こうした構成においては、断面形状を略放物線形状とした輪帯１１１における効果だけでなく、各輪帯１１１に上述の如き高さオフセットを加えたことによる効果によって、さらにＰＳＦの均質化が図られる。
　図９は、本実施形態における位相フィルタ１０１の構造例３を示す平面図であり、図１０は同じく側断面図である。ここで例示するように、輪帯１１１の各間では、断面形状における断面底部１２０を、入射光に対する瞳面の半径方向に所定高さづつオフセットさせている。各輪帯１１１の断面構造形状に対応したコーニック曲線（略放物線）とオフセットの関係は図１１に示す通りである。断面形状が凹状、凸状のいずれであっても、各輪帯１１１の断面底部１２０と、隣接する輪帯１１１における断面底部１２２との間の離間距離（高さ）をオフセット距離とする。
　図１０の例では、位相フィルタ１０１における背面（入射光が射出される面）から位相フィルタ１０１の表面１２１に向かう方向で、上述のオフセットがなされており、位相フィルタ中心軸１０５直近の断面形状における断面底部１２０から、位相フィルタ外縁１０６直近の断面形状における断面底部１２０に至るトータルで、オフセット１０７が生じている。なお、図１２にて例示するように、位相フィルタ１０１における５０個の輪帯１１１に対し、コーニック曲線で規定される高さによって与える位相は２λ（入射光の波長の２倍）になるように設定されている。この例における各輪帯１１１は位相フィルタ中心軸１１５から外縁１０６に向かうに従って、０からλまで徐々に大きくなる、すなわち単調増加するオフセットが与えられている。
　なお、図１５、１６にて例示するように、位相フィルタ１０１の各輪帯１１１において、位相フィルタ中心軸１１５から外縁１０６に向かうに従って、λから０まで徐々に大きくなる、すなわち単調減少するオフセットが与えられた構成となっていてもよい。また、図１７、１８にて例示するように、各輪帯１１１におけるオフセットが位相フィルタ中心軸１１５から外縁１０６に向かうに従って単純増加ないし単純減少する構成ではなく、そうした単純増加ないし単純減少させた場合のオフセットを、ランダムに入れ替えた構成としてもよい（但し、輪帯１１１各間のオフセットの総和１０７は、単純増加ないし単純減少させた場合のオフセットの総和と同じ）。
　ここで、上述のごときオフセットを考慮した構成とした位相フィルタ１０１における効果について説明する。図１３は従来技術におけるＰＳＦの例を示す図であり、図１４は本実施形態の位相フィルタにおけるＰＳＦの例を示す図である。図７においては、各輪帯１１１におけるＰＳＦへの寄与の絶対値を合算して効果を示したのに対し、ここでは位相を含めた計算結果を示す。カメラなどの通常の撮像光学系は、広い波長範囲でかつインコヒーレントな光学系であり、各輪帯１１１におけるＰＳＦへの寄与を位相まで含めて検討はなされないが、ここでは均一で安定したＰＳＦを得るために、位相を考慮して加算した結果を示す。図１３は上述のオフセットを設定しない場合、図１４はオフセットを付与した場合の光軸方向のＰＳＦを示している。
　広い波長範囲でかつインコヒーレントな光学系では、これらは広い波長範囲で平均化され、一点から結象する光であってもコヒーレンシーが低いため、ＰＳＦの振動は大きく緩和される。図１３に例示する従来技術でのＰＳＦはデフォーカスゼロのところに集中するのに対し、図１４に例示するＰＳＦは広範囲のデフォーカスに渡って分布していることが分かる。よって、輪帯１１１の各間でオフセットを付与した位相フィルタ１０１においては、より安定化したＰＳＦを得ることができる。
　なお、上述までは全ての輪帯１１１における幅すなわち輪帯幅が一定である例について説明したが、輪帯毎に異なる輪帯幅を設定することにより、ＰＳＦの各輪帯成分を調整することができる。図１９は、本実施形態における位相フィルタ１０１の構造例６を示す平面図であり、図２０は同じく側断面図である。図１９、２０にて例示するように、位相フィルタ１０１における輪帯幅１０８を、位相フィルタ中心軸１１５から外縁１０６に向かうに従って、単調に減少させた構成とすることにより、輪帯１１１の面積を略一定にすることができ、ＰＳＦの各輪帯成分を調整することが可能となる。
　以上、本発明を実施するための最良の形態などについて具体的に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
　こうした本実施形態によれば、原理的にデフォーカス量に依存して、ＰＳＦの重心が変化することを回避出来る。また、ＰＳＦも回転対称で等方的に拡がるため、信号処理による復元画像が方向性を持つことがなくなり、位相フィルタにおける光軸の回転ずれによる弊害を抑制することができる。また、ＰＳＦが回転対称となることは、処理データ量の低減につながり、信号処理に用いる係数行列の格納用メモリを削減し、信号処理回路を小型化することも可能となる。更に、位相フィルタの形状が回転対称であることは、その成形に用いる金型を回転旋盤加工で作成することが可能となり、矩形の位相フィルタに比べて加工時間の短縮や製造コストの削減が可能となる。
　したがって、点像分布関数の重心変化を回避し、位相フィルタにおける光軸の回転ずれによる画像の不具合発生を抑制可能となる。その結果、本実施例によれば、ゴースト等による画質劣化を抑制し高画質な画像を取得することが可能となる。また、そのような高画質な画像を、低コストで取得することが可能となる。
　本明細書の記載により、少なくとも次のことが明らかにされる。すなわち、本実施形態の位相フィルタにおいて、前記各輪帯のうち少なくともいずれかの輪帯間で、前記凹状または凸状の断面形状における底部位置を、入射光に対する瞳面の半径方向に所定高さオフセットした構造を備えるとしてもよい。
　これによれば、ＰＳＦの更なる均質化を図ることが可能となり、デコンボリューション後の画像品質を更に良質なものと出来る。
　また、本実施形態の位相フィルタにおいて、前記オフセットの高さが各輪帯間で異なる構造を備えるとしてもよい。
　これによれば、より一層のＰＳＦの均質化を図ることが可能となり、デコンボリューション後の画像品質を更に良質なものと出来る。
　また、本実施形態の位相フィルタにおいて、前記各輪帯間でのオフセットの高さが、光軸から当該位相フィルタにおける周縁部に向け、単調増加または単調減少する構造を備えるとしてもよい。
　これによれば、位相フィルタにおける輪帯形成の効率が改善され、より一層のＰＳＦの均質化を優れた製造コストや効率の下で図ることが可能となる。
　また、本実施形態の位相フィルタにおいて、前記輪帯の幅が各輪帯間で等しいとしてもよい。
　これによれば、位相フィルタにおける輪帯形成の効率が改善され、位相フィルタ製造にかかるコストや時間を低減出来る。

Claims (7)

  1. 　光軸に対して回転対称な複数の輪帯を備え、前記各輪帯が凹状又は凸状の略放物線で規定される断面形状を有し、前記各輪帯のうち少なくともいずれかの輪帯は、前記略放物線で規定された凹状の断面形状での最大深さ、または前記略放物線で規定された凸状の断面形状での最大高さが、入射光の一波長以上の位相を与えるものである、位相フィルタ。
  2. 　前記各輪帯のうち少なくともいずれかの輪帯間で、前記凹状または凸状の断面形状における底部位置を、入射光に対する瞳面の半径方向に所定高さオフセットした構造を備える、請求項１に記載の位相フィルタ。
  3. 　前記オフセットの高さが各輪帯間で異なる構造を備える、請求項２に記載の位相フィルタ。
  4. 　前記各輪帯間でのオフセットの高さが、光軸から当該位相フィルタにおける周縁部に向け、単調増加または単調減少する構造を備える、請求項３に記載の位相フィルタ。
  5. 　前記輪帯の幅が各輪帯間で等しい、請求項１に記載の位相フィルタ。
  6. 　光軸に対して回転対称な複数の輪帯を備え、前記各輪帯が凹状又は凸状の略放物線で規定される断面形状を有し、前記各輪帯のうち少なくともいずれかの輪帯は、前記略放物線で規定された凹状の断面形状での最大深さ、または前記略放物線で規定された凸状の断面形状での最大高さが、入射光の一波長以上の位相を与えるものである位相フィルタを、結像光学系に搭載した、撮像光学系。
  7. 　光軸に対して回転対称な複数の輪帯を備え、前記各輪帯が凹状又は凸状の略放物線で規定される断面形状を有し、前記各輪帯のうち少なくともいずれかの輪帯は、前記略放物線で規定された凹状の断面形状での最大深さ、または前記略放物線で規定された凸状の断面形状での最大高さが、入射光の一波長以上の位相を与えるものである位相フィルタを、結像光学系に搭載した撮像光学系にて撮像された画像に対し、デコンボリューション画像処理を行う、撮像システム。
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