WO2018163231A1 - 撮像装置および内視鏡 - Google Patents

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WO2018163231A1
WO2018163231A1 PCT/JP2017/008689 JP2017008689W WO2018163231A1 WO 2018163231 A1 WO2018163231 A1 WO 2018163231A1 JP 2017008689 W JP2017008689 W JP 2017008689W WO 2018163231 A1 WO2018163231 A1 WO 2018163231A1
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lens system
image
image sensor
light
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PCT/JP2017/008689
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圭悟 松尾
寿 大出
岡村　俊朗
厚志 土井
智史 渡部
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オリンパス株式会社
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    • H04N23/555—Constructional details for picking-up images in sites, inaccessible due to their dimensions or hazardous conditions, e.g. endoscopes or borescopes

Definitions

  • the present invention relates to an imaging apparatus.
  • the depth of field is known as one of the characteristics of the lens system.
  • the depth of field refers to a range that appears to be in focus before and after the in-focus portion when taken through a lens system.
  • an image also referred to as a pan focus image
  • a microscope and an endoscope are examples in which a deep depth of field is required.
  • general photography for example, when photographing a person and a landscape, there is a need to focus on both of them.
  • FIG. 1 is a diagram showing an outline of the prior art for increasing the depth of field.
  • FIG. 1 shows a state where the object point M is in focus, and the object point M passes through a lens system (imaging optical system) 10 and forms an image on the imaging surface of the imaging element 12.
  • imaging optical system imaging optical system
  • Non-Patent Document 1 the image sensor 12 is shifted along the optical axis during exposure (focal soup shooting). The resulting image is obtained by integrating the images at each shooting position.
  • IPSF integrated point image intensity distribution function or an integrated point spread function
  • Non-Patent Document 2 discloses a technique for acquiring a similar image by driving a lens system instead of shifting an image sensor.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 it is necessary to drive an image sensor and a lens system during exposure, and thus the control and the apparatus are complicated.
  • the present invention has been made in such a situation, and one of exemplary purposes of an aspect thereof is to provide an imaging apparatus capable of acquiring a focal sweep image without driving an imaging element or a lens system during exposure. is there.
  • One embodiment of the present invention relates to an imaging apparatus.
  • the imaging device branches and propagates an imaging element, a lens system that forms an image of a subject on the imaging surface of the imaging element, and an imaging light beam in the lens system to a plurality of optical paths having different optical path lengths.
  • a branching optical system configured such that principal rays of the plurality of imaging light beams are incident on a predetermined region of the imaging device.
  • the imaging device includes an imaging device, a lens system that forms an image of a subject on the imaging surface of the imaging device, and an imaging light beam in the lens system that branches and propagates, and an imaging point of each imaging light beam after the branching Includes a branching optical system configured to be located at different distances from the imaging surface.
  • a focal sweep image can be captured without moving a lens or an image sensor during exposure.
  • FIG. 4A to 4C are views showing images obtained by photographing a point light source with the imaging apparatus of FIG. It is a figure which shows the imaging device which concerns on 1st Example. It is a figure which shows the imaging device which concerns on 2nd Example. It is a figure which shows the imaging device which concerns on 3rd Example. It is a figure which shows the imaging device which concerns on 4th Example. It is a figure which shows the imaging device which concerns on 5th Example. It is a figure which shows the front-end
  • An imaging apparatus includes an imaging device, a lens system configured to be able to form an image of a subject on the imaging surface of the imaging device, and a plurality of optical paths having different optical path lengths for the imaging light flux in the lens system And a branching optical system configured such that principal rays of the plurality of imaged light beams after branching enter a predetermined region of the image sensor.
  • the imaging element can simultaneously photograph the imaged light flux that has propagated through a plurality of optical paths having different optical path lengths, which is equivalent to exposure while sweeping the focus. According to this aspect, it is not necessary to sweep the image sensor during exposure or drive the lens system.
  • the branching optical system may include a Michelson interferometer type optical system including a beam splitter and two mirrors. By setting the optical path difference between the two arms, two optical paths can be formed.
  • the beam splitter is a polarization beam splitter, and may further include a quarter wavelength plate provided between each of the two mirrors and the beam splitter. Thereby, the loss of light can be reduced.
  • the branching optical system further includes at least one parallel flat plate inserted between at least one of the two mirrors and the beam splitter, and the parallel flat plate may be configured to partially reflect light on a front surface and a back surface thereof. Good.
  • the arm (optical path) in which the parallel plate is inserted can be further branched into a plurality of optical paths.
  • the branching optical system includes at least one parallel plate provided closer to the subject side than the lens system or closer to the image sensor than the lens system, and the parallel plate may be configured to partially reflect light on the front and back surfaces thereof. Good.
  • each member described in the drawings may be appropriately enlarged or reduced for easy understanding.
  • the dimensions of the plurality of members do not necessarily represent the magnitude relationship between them, and even if one member A is drawn thicker than another member B on the drawing, the member A is the member B. It can be thinner.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a basic configuration of an imaging system 200 including the imaging device 100 according to the embodiment.
  • the imaging apparatus 100 includes a lens system 110, an imaging element 120, and a branching optical system 130.
  • light rays are indicated by solid lines
  • signal lines and data lines are indicated by alternate long and short dashed lines.
  • the image sensor 120 is a CCD (Charge-Coupled Device), a CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) sensor, an organic light sensor, or the like, and has a plurality of pixels arranged in a matrix.
  • the lens system 110 is an imaging optical system configured to form an image of a subject on the imaging surface 122 of the imaging device 120.
  • the lens system 110 is represented by a single lens, but the configuration thereof is not particularly limited, and various known techniques can be employed.
  • the branching optical system 130 branches and propagates the imaging light flux in the lens system 110 to a plurality of optical paths 132_1 to 132_N having different optical path lengths.
  • the number N of the optical paths 132 is not particularly limited.
  • the branching optical system 130 is configured such that principal rays of the plurality of imaging light beams after branching enter a predetermined region (substantially the same location) of the image sensor 120.
  • the “predetermined region” means a location corresponding to an imaging point for each object point.
  • the predetermined area is preferably one point, and may be a range that can be regarded as being within the same pixel of the image sensor, for example. Alternatively, when a certain degree of image quality degradation is allowed, the incident position of each principal ray may be shifted. For example, it may be within a few adjacent pixels, so that the predetermined area is widened.
  • the optical path 132 shown in FIG. 2 is conceptually shown, and its shape merely indicates that the optical path lengths are different. In the following description, the optical path length of each optical path is grasped as the propagation distance of the principal ray of the imaging light beam propagating through the optical path.
  • the image processing unit 202 by processing the image data S 1 obtained by the image pickup apparatus 100, and restores an image having a deep depth of field. Since the processing of the image processing unit 202 may be the same as that of a known technique, it will be briefly described.
  • the memory 204 holds data including the IPSF of the lens system 110 and the branch optical system 130.
  • the image data S 1 by the imaging apparatus 100 has been acquired, by deconvolution using the IPSF, generates an image S 2 an enlarged depth of field.
  • the image processing unit 202 and the memory 204 are shown outside the imaging apparatus 100, they may be part of the imaging apparatus 100 as a matter of course.
  • the imaging apparatus 100 Focusing on a plurality of imaging light beams propagating through the plurality of optical paths 132 of the branching optical system 130, the light beams propagating through one optical path 132 can form an image on the imaging surface of the image sensor 120, but propagated through the remaining optical paths 132. Since the light beam is defocused by the branching optical system 130, it does not form an image on the image pickup surface 122 of the image pickup device 120, but forms a blurred image.
  • the imaging element 120 captures a superposition of a plurality of images formed by light propagated through the plurality of optical paths 132_1 to 132_N. This is equivalent to shifting the image sensor 120 at a plurality of N positions during exposure, or equivalent to changing the focus position of the lens system 110 during exposure.
  • FIG. 3 is a diagram schematically illustrating the function of the branching optical system 130 of FIG.
  • the lens system 110 is configured to form an image of a subject on the imaging surface 122 of the imaging element 120.
  • the branching optical system 130 branches and propagates the imaging light beam F 0 in the lens system 110, and the imaging points A 1 to A 3 of the branched imaging light beams F 1 to F 3 are different from the imaging surface 122. Configured to be located at a distance.
  • FIGS. 4A and 4B show images formed on the image sensor 120 by the imaging light flux that has propagated through the first optical path 132_1 and the second optical path 132_2.
  • the image in FIG. 4A represents a PSF (point spread function) of an optical system including the first optical path 132_1 and the lens system 110.
  • FIG. 4C is an image obtained by superimposing the PSFs of FIGS. 4A and 4B and corresponds to an IPSF (integrated point spread function).
  • the IPSF shown in FIG. 4C can be obtained by calculation or by actually photographing a point light source. It is this IPSF that is held in the memory of the image processing unit 202.
  • Image S 1 to be photographed by the imaging apparatus 100 is an image obtained by photographing a subject while sweeping the focus during exposure.
  • a focal sweep image can be acquired without shifting the imaging element 120 or driving the lens system 110 during exposure.
  • the sweep time and the lens drive process are not required, and the focal sweep image can be acquired in one shot, so the exposure time can be shortened. This is advantageous in applications where exposure time is limited, such as flash photography and moving picture photography with a high frame rate.
  • the present invention extends to various apparatuses and methods ascertained from FIGS. 2 and 3 or derived from the above description, and is not limited to a specific configuration.
  • more specific embodiments and modifications will be described in order not to narrow the scope of the present invention but to help understanding the essence and circuit operation of the invention and to clarify them.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the image pickup apparatus 100A according to the first embodiment.
  • the branching optical system 130A is an optical system similar to a so-called Michelson interferometer, and includes a beam splitter 140, a first mirror 142, and a second mirror 144.
  • the beam splitter 140 branches the light transmitted through the lens system 110 into a reflection path (first arm) and a transmission path (second arm).
  • the light branched to the first arm is reflected by the first mirror 142, passes through the beam splitter 140, and enters the image sensor 120.
  • the optical path including the first arm corresponds to the first optical path 132_1 in FIG.
  • the light branched to the second arm is reflected by the second mirror 144, reflected again by the beam splitter 140, and enters the image sensor 120.
  • the optical path including the second arm corresponds to the second optical path 132_2 in FIG.
  • the distance (arm length) from the beam splitter 140 to the first mirror 142 and the distance from the beam splitter 140 to the second mirror 144 are different.
  • the imaging light beam can be branched into two optical paths having different optical path lengths.
  • the imaging apparatus 100A can capture an image in which two focus points are switched with one shot.
  • the focus position can be set according to the positions of the two mirrors 142 and 144.
  • the optical path length on the first optical path 132_1 side is longer, but this is not a limitation.
  • the optical path length of the second optical path 132_2 is increased.
  • the optical path length may be designed to be long.
  • the optical path length can be made different. Good.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an imaging apparatus 100B according to the second embodiment.
  • the branching optical system 130B also has the same optical system as the Michelson interferometer.
  • the beam splitter 140B is a polarization beam splitter.
  • the branching optical system 130B includes a first ⁇ / 4 plate 146 and a second ⁇ / 4 plate 148 in addition to the branching optical system 130A.
  • the first ⁇ / 4 plate 146 is inserted between the beam splitter 140B and the first mirror 142
  • the second ⁇ / 4 plate 148 is inserted between the beam splitter 140B and the second mirror 144.
  • the above is the configuration of the branching optical system 130B.
  • the beam splitter 140B reflects the S-polarized component included in the imaging light beam before branching and transmits the P-polarized component.
  • the reflected S-polarized light component passes through the first ⁇ / 4 plate 146, becomes a P-polarized light component, and reenters the beam splitter 140B.
  • the transmitted P-polarized light component is transmitted through the second ⁇ / 4 plate 148, becomes an S-polarized light component, and reenters the beam splitter 140B.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an imaging apparatus 100C according to the third embodiment.
  • the branching optical system 130C further includes a first parallel plate 150 and a second parallel plate 152 in addition to the branching optical system 130B of FIG.
  • Each of the parallel plates 150 and 152 is configured such that light is partially reflected on the front and back surfaces thereof.
  • the back surface of the parallel plate 150 is the same as the surface of the first mirror 142
  • the back surface of the parallel plate 152 is the same as the surface of the second mirror 144.
  • the parallel plates 150 and 152 may be made by coating a surface of a transparent material such as glass.
  • the above is the configuration of the imaging apparatus 100C. Focusing on the arm on the reflection side of the beam splitter 140B, the light reflected by the beam splitter 140B is reflected by the optical path reflected by the surface of the first parallel plate 150 and by the back surface (first mirror 142) of the first parallel plate 150. It is branched to the optical path. Focusing on the transmission side arm of the beam splitter 140B, the light transmitted through the beam splitter 140B is reflected by the optical path reflected by the surface of the second parallel plate 152 and the back surface (second mirror 144) of the second parallel plate 152. It is branched to the optical path.
  • the imaging light beam can be branched into four optical paths having different optical path lengths.
  • the image capturing apparatus 100 ⁇ / b> C can capture an image with the four focus switched in one shot.
  • the optical path length difference between the plurality of optical paths can be controlled by the thicknesses of the parallel plates 150 and 152 and the positions of the two mirrors.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an imaging apparatus 100D according to the fourth embodiment.
  • the branching optical system 130D further includes a parallel plate laminated structure 154 in addition to the branching optical system 130B of FIG.
  • the parallel plate laminated structure 154 includes a plurality of N parallel plates laminated, and each parallel plate is configured such that light is partially reflected on the front and back surfaces thereof.
  • the above is the configuration of the imaging apparatus 100D. Focusing on the transmission side arm of the beam splitter 140B, the light transmitted through the beam splitter 140B is reflected on each layer of the parallel plate laminated structure 154. As a result, N + 1 optical paths are formed on the transmission side arm. Since there is one optical path in the reflection side arm of the beam splitter 140B, the branching optical system 130D can branch the imaging light flux into N + 2 optical paths having different optical path lengths, and the imaging apparatus 100D. Can take N + 2 focus-switched images in one shot. By increasing the number N of layers, it is possible to obtain an image close to when the focus is continuously swept.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an imaging apparatus 100E according to the fifth embodiment.
  • the branching optical system 130E includes at least one parallel flat plate 156 provided closer to the subject side than the lens system 110.
  • the parallel plate 156 has a laminated structure in which a plurality of parallel plates are laminated.
  • the above is the configuration of the imaging apparatus 100E.
  • the imaging light beam is reflected by each layer of the parallel plate laminated structure 156 and propagates by branching to N + 1 optical paths having different optical path lengths.
  • the imaging apparatus 100E can capture an image with N + 1 focus switched in one shot.
  • the branching optical system 130 ⁇ / b> E may be inserted closer to the image sensor 120 than the lens system 110, or may be inserted on both sides.
  • the branching optical systems 130A to 130E according to the first to fifth examples described above can also be grasped as follows.
  • the branching optical system is disposed such that the light beam propagating through the first optical path and the second optical path is incident on the imaging element, and the optical path branching surface that branches the pre-branched imaging light beam into the first optical path and the second optical path. And at least one reflective surface.
  • the surface of the beam splitter 140 corresponds to the optical path branching surface
  • the first mirror 142 and the second mirror 144 correspond to the reflecting surface
  • the surface of the beam splitter 140B and the surfaces (back surfaces) of the parallel plates 150 and 152 correspond to the optical path branch plane. Further, the first mirror 142 and the second mirror 144, and the front surfaces (back surfaces) of the parallel plates 150 and 152 correspond to the reflecting surfaces.
  • each layer of the parallel plate laminated structure 156 is an optical path branching surface and corresponds to a reflecting surface.
  • the imaging device 100 can be used for an endoscope.
  • FIG. 10 is a view showing the distal end portion 502 of the endoscope scope 500.
  • the distal end portion 502 is attached to the distal end of the insertion portion 506 having flexibility.
  • the above-described imaging device 100 is housed in the case of the distal end portion 502 together with the illumination device 504.
  • the illumination device 504 may be an interference fringe projector.
  • the endoscope requires a pan-focus image, and at the same time, the imaging device 100 is required to be downsized.
  • the imaging apparatus 100 according to the embodiment can satisfy the requirements for such an endoscope at a high level.
  • the use of the imaging apparatus 100 is not limited to an endoscope, and may be used for a microscope. Or it can use also for a digital camera and a digital video camera, and can also be used for small electronic devices provided with an imaging function, such as a smart phone, a tablet terminal, and a laptop computer.
  • DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Imaging device, 110 ... Lens system, 120 ... Imaging element, 122 ... Imaging surface, 130 ... Branch optical system, 132 ... Optical path, 140 ... Beam splitter, 142 ... 1st mirror, 144 ... 2nd mirror, 146 ... 1st 1 ⁇ / 4 plate, 148: 2nd ⁇ / 4 plate, 150: first parallel plate, 152: second parallel plate, 200: imaging system, 202: image processing unit, 204: memory, 500: endoscope, 502 ... Tip portion, 504... Lighting device, 506.
  • the present invention can be used for an imaging apparatus.

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Abstract

レンズ系１１０は、被写体の像を撮像素子１２０の撮像面１２２で結像可能に構成される。分岐光学系１３０はレンズ系１１０における結像光束を異なる光路長を有する複数の光路に分岐して伝搬させ、分岐後の複数の結像光束の主光線が撮像素子１２０の所定の領域に入射するように構成される。

Description

撮像装置および内視鏡
　本発明は、撮像装置に関する。
　レンズ系の特性のひとつとして被写界深度が知られている。被写界深度とは、レンズ系を通して撮影した際に、合焦部分の前後のピントが合っているかのように見える範囲をいう。
　芸術写真、映像製作現場では、浅い被写界深度が表現のために積極的に利用される。一方、いくつかの用途においては、被写界深度（ピントが合っているように見える範囲が大きい）が深い画像（パンフォーカス画像ともいう）が要求される場合がある。たとえば、顕微鏡や内視鏡は、深い被写界深度が要求される一例である。あるいは一般的な写真においても、たとえば人物と風景を撮影する際に、それらの両方にピントを合わせたいといったニーズもある。
　被写界深度を深くするには、（i）絞り値（Ｆ値）を大きくすること、（ii）レンズの焦点距離を短くすること、（iii）カメラから被写体までの距離（ワーキングディスタンス）を長くとるといったアプローチを採ることができる。（ii）や（iii）は、用途によって制約がある場合が多いため、最も簡単なアプローチは絞り値を大きくすることとなる。ところが絞り値を大きくすると、撮像素子に取り込まれる光量が減少するため、同じ明るさの画像を撮影するためには、撮像素子の感度を上げるか、露光時間を長くする必要がある。感度を上げると画質が劣化する。露光時間を長くすると、手ブレや被写体ブレの影響を受けやすくなる。動画の場合も同様であり、露光時間が長くなると所望のフレームレートでの撮影が困難となる。
　絞り値を大きくせずに、被写界深度を深くする技術がいくつか提案されている（たとえば非特許文献１）。図１は、被写界深度を深くする従来技術の概要を示す図である。図１は、物点Ｍにピントがあっている状態を表しており、物点Ｍが、レンズ系（結像光学系）１０を通過して撮像素子１２の撮像面で結像している。撮像素子１２を前後にシフトさせると、撮影された像はぼやけたものとなる。
　非特許文献１の技術では、露光中に、撮像素子１２を光軸に沿ってシフトさせる（フォーカルスープ撮影）。その結果得られる画像は、各撮影位置での像を積算したものとなっている。
　フォーカルスイープによって点光源を撮影することを考える。撮像素子１２のシフトする範囲と共役となる範囲に点光源が存在するとき、フォーカルスイープによって撮影される画像を、積算点像強度分布関数あるいは積算点広がり関数（Integrated Point Spread Function、以下ＩＰＳＦ）と呼ぶ。このＩＰＳＦは、点光源の位置に依存せず一定である。この性質を利用して、フォーカルスイープによって撮影された被写体画像を、ＩＰＳＦを利用してデコンボリューションすることにより、被写界深度を拡大した画像を得ることができる。
　非特許文献２は、撮像素子をシフトさせる代わりに、レンズ系を駆動することにより同様の画像を取得する技術を開示する。
特開２０１２－５０６３号公報
Sujit Kuthirummal, Hajime Nagahara, Changyin Zhou, and Shree K. Nayar, ""Focal Sweep Videography with Deformable Optics", IEEE Transactions on Pattern Recognition and Machine Intelligence, Vol.33, No.1, pp.58 - 71, 2011.01 D. Miau, O. Cossairt and S.K. Nayar, "Focal Sweep Videography with Deformable Optics", IEEE International Conference on Computational Photography (ICCP), pp. 1-8, Apr. 2013.
　非特許文献１や２に開示される技術は、露光中に、撮像素子やレンズ系を駆動する必要があるため、制御や装置が複雑となる。
　本発明はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、露光中に、撮像素子やレンズ系を駆動せずにフォーカルスイープ画像を取得可能な撮像装置の提供にある。
　本発明のある態様は撮像装置に関する。撮像装置は、撮像素子と、被写体の像を前記撮像素子の撮像面で結像するレンズ系と、レンズ系における結像光束を異なる光路長を有する複数の光路に分岐して伝搬させ、分岐後の複数の結像光束の主光線が撮像素子の所定の領域に入射するように構成された分岐光学系と、を備える。
　本発明のある態様は撮像装置に関する。撮像装置は、撮像素子と、被写体の像を前記撮像素子の撮像面で結像するレンズ系と、レンズ系における結像光束を分岐して伝搬させ、分岐後の各結像光束の結像点が、撮像面から異なる距離に位置するよう構成された分岐光学系と、を備える。
　なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
　本発明のある態様によれば、露光中にレンズや撮像素子を移動させずに、フォーカルスイープ画像を撮影できる。
被写界深度を深くする従来技術の概要を示す図である。 実施の形態に係る撮像装置を備える撮像システムの基本構成を示す図である。 実施の形態の撮像装置を模式的に示す図である。 図４（ａ）～（ｃ）は、図２の撮像装置によって点光源を撮影した画像を示す図である。 第１実施例に係る撮像装置を示す図である。 第２実施例に係る撮像装置を示す図である。 第３実施例に係る撮像装置を示す図である。 第４実施例に係る撮像装置を示す図である。 第５実施例に係る撮像装置を示す図である。 内視鏡スコープの先端部を示す図である。
　はじめに、本発明に係るいくつかの実施の形態の概要を説明する。
　本発明のある態様の撮像装置は、撮像素子と、被写体の像を撮像素子の撮像面で結像可能に構成されるレンズ系と、レンズ系における結像光束を異なる光路長を有する複数の光路に分岐して伝搬させ、分岐後の複数の結像光束の主光線が撮像素子の所定の領域に入射するように構成された分岐光学系と、を備える。
　撮像素子によって、光路長の異なる複数の光路を伝搬した結像光束を同時に撮影でき、これはフォーカスをスイープさせながら露光したことと等価である。この態様によれば、露光中の撮像素子のスイープやレンズ系の駆動が不要となる。
　分岐光学系は、ビームスプリッタおよび２枚のミラーを含むマイケルソン干渉計型の光学系を含んでもよい。２つのアームに光路差を設定することで、２つの光路を形成できる。
　ビームスプリッタは偏光ビームスプリッタであり、２枚のミラーそれぞれとビームスプリッタの間に設けられた１／４波長板をさらに含んでもよい。これにより、光の損失を低減できる。
　分岐光学系は、２枚のミラーの少なくとも一方とビームスプリッタの間に挿入される少なくとも一枚の平行平板をさらに含み、平行平板は、その表面および裏面において光が部分反射するよう構成されてもよい。これにより、平行平板を挿入したアーム（光路）を、さらに複数の光路に分岐することができる。
　分岐光学系は、レンズ系より被写体側またはレンズ系よりも撮像素子側に設けられた少なくとも一枚の平行平板を含み、平行平板は、その表面および裏面において光が部分反射するよう構成されてもよい。
　以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
　また図面に記載される各部材の寸法（厚み、長さ、幅など）は、理解の容易化のために適宜、拡大縮小されている場合がある。さらには複数の部材の寸法は、必ずしもそれらの大小関係を表しているとは限らず、図面上で、ある部材Ａが、別の部材Ｂよりも厚く描かれていても、部材Ａが部材Ｂよりも薄いこともあり得る。
　本明細書において参照するグラフの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示されるグラフ、波形も、理解の容易のために簡略化され、あるいは誇張もしくは強調されている。
（概要および原理）
　図２は、実施の形態に係る撮像装置１００を備える撮像システム２００の基本構成を示す図である。撮像装置１００は、レンズ系１１０、撮像素子１２０、分岐光学系１３０を備える。本明細書において光線は実線で、信号線やデータ線は一点鎖線で示す。
　撮像素子１２０は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサ、有機光センサなどであり、マトリクス状に配置された複数の画素を有する。レンズ系１１０は、被写体の像を撮像素子１２０の撮像面１２２で結像可能に構成された結像光学系である。本明細書ではレンズ系１１０を１枚のレンズで表すがその構成は特に限定されず、さまざまな公知技術を採用しうる。
　分岐光学系１３０は、レンズ系１１０における結像光束を、異なる光路長を有する複数の光路１３２＿１～１３２＿Ｎに分岐して伝搬させる。光路１３２の個数Ｎは特に限定されない。分岐光学系１３０は、分岐後の複数の結像光束の主光線が撮像素子１２０の所定の領域（実質的に同一箇所）に入射するように構成される。「所定の領域」とは、物点ごとの結像点に対応する箇所を意味する。所定の領域は、好ましくは１点であり、たとえば撮像素子の同一ピクセル内とみなせる範囲であってもよい。あるいはある程度の画質の劣化を許容する場合、各主光線の入射位置はずれていてもよく、たとえば隣接する数ピクセルに収まっていればよいため、所定の領域は広くなる。
　図２では理解の容易化のため、点光源Ｍのみを示し、さらに光線も主光線のみを示している。また、図２に示される光路１３２は概念的に示したものであり、その形状は、光路長が異なることを示すに過ぎない。以下の説明では、各光路の光路長は、それを伝搬する結像光束の主光線の伝搬距離として把握するものとする。
　画像処理部２０２は、撮像装置１００によって得られた画像データＳ１を処理することにより、被写界深度の深い画像を復元する。画像処理部２０２の処理は公知技術と同様でよいため簡単に説明する。メモリ２０４には、レンズ系１１０および分岐光学系１３０のＩＰＳＦを含むデータが保持される。撮像装置１００が取得した画像データＳ１を、ＩＰＳＦを利用してデコンボリューションすることにより、被写界深度を拡大した画像Ｓ２を生成する。なお、ここでは画像処理部２０２およびメモリ２０４を撮像装置１００の外部に示すが、当然のことながらこれらは撮像装置１００の一部であってもよい。
　以上が撮像装置１００の基本構成である。続いてその動作を説明する。
　分岐光学系１３０の複数の光路１３２を伝搬する複数の結像光束に着目すると、ひとつの光路１３２を伝搬した光束は撮像素子１２０の撮像面で結像しうるが、残りの光路１３２を伝搬した光束は、分岐光学系１３０によってデフォーカスされるため撮像素子１２０の撮像面１２２において結像せず、ぼけた像を形成する。撮像素子１２０は、複数の光路１３２＿１～１３２＿Ｎを伝搬した光が形成する複数の像の重ね合わせを撮影する。このことは、あたかも露光中に撮像素子１２０を、複数Ｎ個の位置でシフトさせたことと等価であり、あるいは、露光中にレンズ系１１０のピント位置を変化させたことと等価である。
　図３は、図２の分岐光学系１３０の機能を模式的に示す図である。上述のようにレンズ系１１０は、被写体の像を撮像素子１２０の撮像面１２２で結像させるように構成されている。分岐光学系１３０は、レンズ系１１０における結像光束Ｆ０を分岐して伝搬させ、分岐後の各結像光束Ｆ１～Ｆ３の結像点Ａ１～Ａ３が、撮像面１２２から異なる距離に位置するよう構成される。
　図４（ａ）～（ｃ）は、図２の撮像装置１００によって点光源を撮影した画像を示す図である。実際には２次元の画像であるが、ここでは１次元の画像として示し、横軸が位置を、縦軸が強度を表す。ここでは光路の数Ｎを２としている。図４（ａ）、（ｂ）は、第１光路１３２＿１、第２光路１３２＿２を伝搬した結像光束が撮像素子１２０上に形成する像を示す。たとえば図４（ａ）の像は、第１光路１３２＿１およびレンズ系１１０を含む光学系のＰＳＦ（点広がり関数）を表する。図４（ｃ）は、図４（ａ）、（ｂ）のＰＳＦを重ね合わせた像であり、ＩＰＳＦ（積算点広がり関数）に相当する。
　図４（ｃ）に示すＩＰＳＦは、計算によって、あるいは実際に点光源を撮影することによって取得することができる。画像処理部２０２のメモリに保持されるのは、このＩＰＳＦに他ならない。
　なお実際の被写体は、３次元的に分布する点光源の集合体と把握できる。撮像装置１００によって撮影される画像Ｓ１は、露光中にフォーカスをスイープしながら被写体を撮影した像となる。
　以上が撮像装置１００の動作である。
　この撮像装置１００によれば、露光中に撮像素子１２０をシフトさせたり、レンズ系１１０を駆動することなく、フォーカルスイープ画像を取得することができる。
　露光中の撮像素子のスイープやレンズ系の駆動が不要となるため、装置を簡素化できる。これは撮像装置１００の小型化や低コスト化に資するであろう。また、従来では露光とスイープのタイミング制御が必要であったが、撮像装置１００ではそのような複雑な処理が不要となっている。
　また、スイープやレンズ駆動の処理が不要でワンショットで、フォーカルスイープ画像が取得できることから、露光時間を短くできる。フラッシュ撮影やフレームレートが高い動画撮影など、露光時間の制約がある用途で有利である。
　従来では、機械的なフォーカルスイープの間に被写体やカメラが動くと、被写体ブレや手ブレとなり画質の劣化の要因となったが、撮像装置１００によれば露光時間が短いため、被写体ブレや手ブレによる画質の劣化も抑えることができる。
　本発明は、図２や図３から把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置や方法に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や回路動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な実施例や変形例を説明する。
（第１実施例）
　図５は、第１実施例に係る撮像装置１００Ａを示す図である。分岐光学系１３０Ａはいわゆるマイケルソン干渉計と同様の光学系であり、ビームスプリッタ１４０、第１ミラー１４２、第２ミラー１４４を備える。ビームスプリッタ１４０は、レンズ系１１０を透過した光を、反射経路（第１アーム）と透過経路（第２アーム）に分岐する。第１アームに分岐した光は、第１ミラー１４２で反射し、ビームスプリッタ１４０を透過して撮像素子１２０に入射する。第１アームを含む光路は、図２の第１光路１３２＿１に相当する。第２アームに分岐した光は、第２ミラー１４４で反射し、ビームスプリッタ１４０で再度反射し、撮像素子１２０に入射する。第２アームを含む光路は、図２の第２光路１３２＿２に相当する。ビームスプリッタ１４０から第１ミラー１４２までの距離（アーム長）と、ビームスプリッタ１４０から第２ミラー１４４までの距離は異なっている。
　以上が第１実施例に係る分岐光学系１３０Ａの構成である。この分岐光学系１３０Ａによれば、結像光束を、光路長の異なる２つの光路に分岐することができる。これにより撮像装置１００Ａは、２つのフォーカスを切り替えた画像をワンショットで撮影できる。フォーカスの位置は、２枚のミラー１４２，１４４の位置に応じて設定できる。
　なお、図５では第１光路１３２＿１側の光路長の方が長くなっているがその限りではなく、第２ミラー１４４を第１ミラー１４２よりもビームスプリッタ１４０から遠ざけることにより、第２光路１３２＿２の光路長を長く設計してもよい。
　ビームスプリッタ１４０から第１ミラー１４２までの距離とビームスプリッタ１４０から第２ミラー１４４の距離を等しくして、一方のアームに、屈折率の高い透明材質を挿入することにより、光路長を異ならしめてもよい。
（第２実施例）
　図６は、第２実施例に係る撮像装置１００Ｂを示す図である。分岐光学系１３０Ｂもまた、マイケルソン干渉計と同様の光学系を有している。分岐光学系１３０Ｂにおいてビームスプリッタ１４０Ｂは偏光ビームスプリッタである。分岐光学系１３０Ｂは分岐光学系１３０Ａに加えて、第１λ／４板１４６および第２λ／４板１４８を含む。第１λ／４板１４６は、ビームスプリッタ１４０Ｂと第１ミラー１４２の間に挿入され、第２λ／４板１４８はビームスプリッタ１４０Ｂと第２ミラー１４４の間に挿入される。
　以上が分岐光学系１３０Ｂの構成である。ビームスプリッタ１４０Ｂは、分岐前の結像光束に含まれるＳ偏光成分を反射し、Ｐ偏光成分を透過する。反射したＳ偏光成分は、第１λ／４板１４６を透過し、Ｐ偏光成分となってビームスプリッタ１４０Ｂに再入射する。その結果、再入射するときには反射されず、すべてが撮像素子１２０に入射する。一方、透過したＰ偏光成分は、第２λ／４板１４８を透過し、Ｓ偏光成分となってビームスプリッタ１４０Ｂに再入射する。その結果、再入射するときには全反射され、撮像素子１２０に入射する。このように、図６の分岐光学系１３０Ｂによれば、光の損失を低減することができる。
（第３実施例）
　図７は、第３実施例に係る撮像装置１００Ｃを示す図である。分岐光学系１３０Ｃは、図６の分岐光学系１３０Ｂに加えて、第１平行平板１５０、第２平行平板１５２をさらに備える。平行平板１５０，１５２はそれぞれ、その表面および裏面において光が部分反射するよう構成される。この実施例では、平行平板１５０の裏面は第１ミラー１４２の表面と同一であり、平行平板１５２の裏面は第２ミラー１４４の表面と同一となっている。たとえば平行平板１５０，１５２は、ガラスなどの透明材質の表面に、コーティングを施したものを利用することができる。
　以上が撮像装置１００Ｃの構成である。ビームスプリッタ１４０Ｂの反射側のアームに着目すると、ビームスプリッタ１４０Ｂで反射した光は、第１平行平板１５０の表面で反射する光路と、第１平行平板１５０の裏面（第１ミラー１４２）で反射する光路と、に分岐される。ビームスプリッタ１４０Ｂの透過側のアームに着目すると、ビームスプリッタ１４０Ｂを透過した光は、第２平行平板１５２の表面で反射する光路と、第２平行平板１５２の裏面（第２ミラー１４４）で反射する光路と、に分岐される。
　この分岐光学系１３０Ｃによれば、結像光束を、光路長の異なる４つの光路に分岐することができる。これにより撮像装置１００Ｃは、４つのフォーカスを切り替えた画像をワンショットで撮影できる。複数の光路の光路長差は、平行平板１５０，１５２の厚みと、２枚のミラーの位置によって制御することができる。
（第４実施例）
　図８は、第４実施例に係る撮像装置１００Ｄを示す図である。分岐光学系１３０Ｄは、図６の分岐光学系１３０Ｂに加えて、平行平板の積層構造１５４をさらに備える。平行平板の積層構造１５４は複数Ｎ枚の平行平板が積層されており、各平行平板は、その表面および裏面において光が部分反射するよう構成される。
　以上が撮像装置１００Ｄの構成である。ビームスプリッタ１４０Ｂの透過側のアームに着目すると、ビームスプリッタ１４０Ｂを透過した光は、平行平板の積層構造１５４の各層において反射される。その結果、透過側のアームには、Ｎ＋１個の光路が形成される。ビームスプリッタ１４０Ｂの反射側のアームには１個の光路が存在するから、分岐光学系１３０Ｄによれば、結像光束を、光路長の異なるＮ＋２個の光路に分岐することができ、撮像装置１００Ｄは、Ｎ＋２個のフォーカスを切り替えた画像をワンショットで撮影できる。層数Ｎを増やすことにより、フォーカスを連続的にスイープしたときに近い画像を取得できる。
（第５実施例）
　図９は、第５実施例に係る撮像装置１００Ｅを示す図である。分岐光学系１３０Ｅは、レンズ系１１０よりも被写体側に設けられた少なくとも一枚の平行平板１５６を含む。この実施例において平行平板１５６は複数枚が積層された積層構造である。
　以上が撮像装置１００Ｅの構成である。結像光束は、平行平板の積層構造１５６の各層において反射され、光路長の異なるＮ＋１個の光路に分岐して伝搬する。撮像装置１００Ｅは、Ｎ＋１個のフォーカスを切り替えた画像をワンショットで撮影できる。
　なお図９において、分岐光学系１３０Ｅを、レンズ系１１０より撮像素子１２０側に挿入してもよいし、両側に挿入してもよい。
　上述の第１から第５実施例に係る分岐光学系１３０Ａ～１３０Ｅは、以下のように把握することもできる。分岐光学系は、分岐前の結像光束を第１光路および第２光路に分岐する光路分岐面と、第１光路および第２光路それぞれを伝搬する光が撮像素子に入射するように配置された少なくともひとつの反射面と、を含む。
　第１実施例、第２実施例では、ビームスプリッタ１４０の表面が光路分岐面に対応し、第１ミラー１４２や第２ミラー１４４が反射面に対応する。
　第３実施例、第４実施例では、ビームスプリッタ１４０Ｂの表面、ならびに平行平板１５０および１５２の表面（裏面）が、光路分岐面に対応する。また、第１ミラー１４２および第２ミラー１４４、ならびに平行平板１５０、１５２の表面（裏面）が、反射面に対応する。
　第５実施例では、平行平板の積層構造１５６の各層の表面が、光路分岐面であり、また反射面に相当する。
（用途）
　撮像装置１００は、内視鏡に用いることができる。図１０は、内視鏡スコープ５００の先端部５０２を示す図である。先端部５０２は、可撓性を有する挿入部５０６の先端に取り付けられる。上述の撮像装置１００は照明装置５０４とともに先端部５０２のケースに収容される。３次元形状測定のための内視鏡スコープ５００の場合、照明装置５０４は、干渉縞投影器であってもよい。挿入部５０６の内側には、光源から照明装置５０４に光を供給するための光ファイバ、各種電源や、撮像した画像データを送信するための信号線が挿通されている。
　内視鏡はパンフォーカスの画像が要求され、それと同時に撮像装置１００の小型化が求められる。実施の形態に係る撮像装置１００はこのような内視鏡の要求を高い水準で満たすことができる。
　なお、撮像装置１００の用途は内視鏡に限定されず、顕微鏡に用いてもよい。あるいはデジタルカメラやデジタルビデオカメラにも利用可能であるし、スマートフォンやタブレット端末、ラップトップコンピュータなど、撮像機能を備える小型の電子機器にも用いることができる。
１００…撮像装置、１１０…レンズ系、１２０…撮像素子、１２２…撮像面、１３０…分岐光学系、１３２…光路、１４０…ビームスプリッタ、１４２…第１ミラー、１４４…第２ミラー、１４６…第１λ／４板、１４８…第２λ／４板、１５０…第１平行平板、１５２…第２平行平板、２００…撮像システム、２０２…画像処理部、２０４…メモリ、５００…内視鏡、５０２…先端部、５０４…照明装置、５０６…挿入部。
　本発明は、撮像装置に利用できる。

Claims (11)

  1. 　撮像素子と、
    　被写体の像を前記撮像素子の撮像面で結像可能に構成されるレンズ系と、
    　前記レンズ系における結像光束を異なる光路長を有する複数の光路に分岐して伝搬させ、分岐後の複数の結像光束の主光線が前記撮像素子の所定の領域に入射するように構成された分岐光学系と、
    　を備えることを特徴とする撮像装置。
  2. 　撮像素子と、
    　被写体の像を前記撮像素子の撮像面で結像可能に構成されるレンズ系と、
    　前記レンズ系における結像光束を複数の光路に分岐して伝搬させ、分岐後の各結像光束の結像点が撮像面から異なる距離に位置するよう構成された分岐光学系と、
    　を備えることを特徴とする撮像装置。
  3. 　前記分岐光学系は、
    　分岐前の前記結像光束を、第１光路および第２光路に分岐する光路分岐面と、
    　前記第１光路および前記第２光路それぞれの光が前記撮像素子に入射するように配置された少なくともひとつの反射面と、
    　を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
  4. 　前記分岐光学系は、ビームスプリッタおよび２枚のミラーを含むマイケルソン干渉計型の光学系を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の撮像装置。
  5. 　前記ビームスプリッタは偏光ビームスプリッタであり、
    　前記２枚のミラーそれぞれと前記ビームスプリッタの間に設けられた１／４波長板をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
  6. 　前記分岐光学系は、前記２枚のミラーの少なくとも一方と前記ビームスプリッタの間に挿入される少なくとも一枚の平行平板をさらに含み、前記平行平板は、その表面および裏面において光が部分反射するよう構成されることを特徴とする請求項４または５に記載の撮像装置。
  7. 　前記分岐光学系は、
    　前記レンズ系より前記被写体側または前記レンズ系よりも前記撮像素子側に設けられた少なくとも一枚の平行平板を含み、前記平行平板は、その表面および裏面において光が部分反射するよう構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の撮像装置。
  8. 　撮像素子と、
    　被写体の像を前記撮像素子の撮像面で結像可能に構成されるレンズ系と、
    　前記レンズ系と前記撮像素子の間に設けられ、前記レンズ系からの光を光路長の異なる２つのアームに分岐し、それらを重ね合わせて前記撮像素子に供給するマイケルソン干渉計型の光学系と、
    　を備えることを特徴とする撮像装置。
  9. 　撮像素子と、
    　被写体の像を前記撮像素子の撮像面で結像可能に構成されるレンズ系と、
    　前記レンズ系より前記被写体側または前記レンズ系よりも前記撮像素子側に設けられた少なくとも一枚の平行平板を含み、前記平行平板は、その表面および裏面において光が部分反射するよう構成される光学系と、
    　を備えることを特徴とする撮像装置。
  10. 　撮像素子と、
    　被写体の像を前記撮像素子の撮像面で結像可能に構成されるレンズ系と、
    　前記レンズ系より前記被写体側または前記レンズ系よりも前記撮像素子側に設けられた少なくとも一枚の平行平板を含み、前記平行平板は、その表面および裏面において光が部分反射するよう構成される光学系と、
    　を備えることを特徴とする撮像装置。
  11. 　請求項１から１０のいずれかに記載の撮像装置を備えることを特徴とする内視鏡。
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