WO2021059763A1 - 撮像光学系、および撮像装置 - Google Patents

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WO2021059763A1
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imaging
imaging optical
image
aperture
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直道 菊地
美希 中山
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ソニー株式会社
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    • G02—OPTICS
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    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/005—Diaphragms

Definitions

  • the present disclosure relates to an imaging optical system and an imaging device capable of extending the depth of field.
  • Patent Documents 1 to 4 Various techniques for expanding the depth of field have been proposed (see Patent Documents 1 to 4).
  • the imaging optical system is composed of an aperture diaphragm, an imaging optical system for forming an image toward the imaging surface of the imaging element, and a substance having a birefringence, and is composed of imaging optics. It is equipped with an optical phase modulator that gives two pupil functions to the system, and satisfies the following conditional expression.
  • the image pickup apparatus includes an image pickup optical system and an image pickup element arranged at an imaging position of the image pickup optical system, and the image pickup optical system relates to the embodiment of the present disclosure. It is composed of an imaging optical system.
  • resolution is obtained by giving two pupil functions to the imaging optical system by an optical phase modulator while satisfying a predetermined condition.
  • the depth of field is expanded while suppressing the deterioration of performance.
  • FIG. 1 It is explanatory drawing which shows an example of the passing range of a central ray and the passing range of a peripheral ray in BM when there is vignetting in the image pickup optical system which concerns on one Embodiment. It is sectional drawing which shows an example of the central ray and the peripheral ray when there is vignetting in the image pickup optical system which concerns on one Embodiment. It is a top view which shows roughly the structure of the concentric pattern region of BM and the diameter of an aperture diaphragm in the image pickup optical system which concerns on Example 1. FIG. It is sectional drawing which shows the whole structure of the imaging optical system which concerns on Example 1. FIG. It is a characteristic diagram which shows the through-focus MTF of the imaging optical system which concerns on Example 1. FIG.
  • FIG. 1 It is a characteristic diagram which shows the frequency characteristic of MTF at the focus position of the imaging optical system which concerns on Example 1.
  • FIG. It is a top view which shows roughly the structure of the concentric pattern region of BM and the diameter of an aperture diaphragm in the image pickup optical system which concerns on Example 2.
  • FIG. It is sectional drawing which shows the whole structure of the imaging optical system which concerns on Example 2.
  • FIG. It is a characteristic diagram which shows the through-focus MTF of the imaging optical system which concerns on Example 2.
  • FIG. 1 It is a top view which shows roughly the structure of the concentric pattern region of BM and the diameter of an aperture diaphragm in the image pickup optical system which concerns on Example 3.
  • FIG. It is sectional drawing which shows the whole structure of the imaging optical system which concerns on Example 3.
  • FIG. It is a characteristic diagram which shows the through-focus MTF of the imaging optical system which concerns on Example 3.
  • FIG. It is a characteristic diagram which shows the frequency characteristic of MTF at the focus position of the imaging optical system which concerns on Example 3.
  • Patent Document 1 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-5919 proposes a technique for expanding the depth of field by imparting spherical aberration to the imaging optical system.
  • this technique is premised on a bright F-number, and is effective only when the limit resolution of the imaging optical system has sufficient margin for the Nyquist frequency of the sensor. Since the optical system used in medical imaging equipment has a dark F value, its resolution performance is close to the diffraction limit. If spherical aberration occurs, the limit resolution is impaired.
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2018-101065
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 2010-271689
  • WFC Wide Front Coding
  • AR Anti Reflection
  • Patent Document 4 (US Patent Application Publication No. 2012/0281280) proposes a phase modulation element using a birefringent material, thereby proposing a technique that enables depth expansion from a normal optical system. ..
  • the specific scope of application and the optimum design solution have not been specified.
  • the imaging optical system according to the embodiment includes an aperture diaphragm, an imaging optical system, and an optical phase modulator.
  • the imaging optical system forms an image toward the imaging surface of the image pickup device.
  • An optical phase modulator is an optical element composed of a material having a birefringence and giving two pupil functions to an imaging optical system by applying different phase modulations to two polarized lights having an orthogonal relationship with each other. Is.
  • FIG. 1 schematically shows a configuration example of an optical phase modulator in an imaging optical system according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 schematically shows another configuration example of the optical phase modulator in the imaging optical system according to the embodiment.
  • the optical phase modulator in the imaging optical system according to the embodiment is a depth expanding device (BM: Birefringent Mask), and has an effect of expanding the depth of field of the imaging optical system.
  • BM Birefringent Mask
  • the imaging optical system according to the embodiment is an EDOF (Extended Depth of Focus) optical system in which the depth of field is extended by mounting a BM.
  • EDOF Extended Depth of Focus
  • the technology of the BM device itself is also described in, for example, Patent Document 4 above.
  • the technology of the present disclosure is similar to WFC technology.
  • the BM is an optical element having no refractive power, and has an optical element substrate and a birefringent layer formed on the surface of the optical element substrate.
  • the BM10 shown in FIG. 1 it has a glass substrate 12 and a BM layer 11 as a birefringent layer formed on the surface of the glass substrate 12.
  • the BM may have a structure in which a birefringent layer is sandwiched between two optical element substrates.
  • a structure in which the BM layer 11 as a birefringent layer is formed between the two glass substrates 12 and 13 may be used. If the sandwich type structure is used, for example, in the structure shown in FIG. 2, it is easy to apply an AR coat or the like on the glass substrate 13, so that the concern about ghosts and flares is reduced.
  • FIG. 3 schematically shows a configuration example of a concentric pattern region of the BM10 in the imaging optical system according to the embodiment.
  • the BM10 does not have a structure such as an uneven shape for obtaining the effect.
  • the BM layer 11 has concentric pattern regions, which are oriented so that the relative angle of birefringence anisotropy between adjacent pattern regions is 90 °.
  • FIG. 3 shows an example in which the first concentric pattern region A1, the second concentric pattern region B1, and the third concentric pattern region A2 are formed in order from the center.
  • the number of concentric pattern regions is not limited to three, and two or four or more may be formed.
  • 4 (A) to 4 (D) schematically show the optical characteristics of the optical phase modulator (BM10).
  • FIG. 5 schematically shows a configuration example of an imaging optical system (normal optical system 102) according to a comparative example.
  • FIG. 6 schematically shows a configuration example of the imaging optical system (EDOF optical system) 101 according to the embodiment.
  • the imaging optical system according to the comparative example shown in FIG. 5 includes an aperture diaphragm St and an imaging optical system 20.
  • the imaging optical system according to the comparative example shown in FIG. 5 is a normal optical system 102 that does not include BM10 as a component.
  • the imaging optical system 101 according to the embodiment shown in FIG. 6 is an EDOF optical system provided with a BM 10 in the vicinity of the aperture stop St with respect to the configuration of the normal optical system 102.
  • FIG. 6 shows a configuration example in which the BM10 is arranged on the imaging surface Sip side of the aperture stop St, a configuration in which the BM10 is arranged on the object side of the aperture stop St is also possible.
  • FIG. 6 shows a configuration example in which the imaging optical system 20 is arranged on the imaging surface Sip side of the aperture diaphragm St, but a part of the optics of the imaging optical system 20 is located on the object side of the aperture diaphragm St.
  • the system may be arranged.
  • An image pickup device equipped with such an image pickup optical system 101 has a PSF (Point Spread Function, point image distribution) described later with respect to an image pickup element arranged at an imaging position by the image pickup optical system 101 and an image taken by the image pickup element. It includes an image processing unit 110 that performs image processing using the deconvolution derived from the function).
  • PSF Point Spread Function, point image distribution
  • FIG. 4A shows an example of the refractive index acting on two orthogonal polarized lights (X polarized light and Y polarized light) in BM10.
  • FIG. 4B shows an example of phase modulation in which BM10 acts on X-polarized light and Y-polarized light, respectively.
  • FIG. 4C shows a through-focus MTF (Modulation transfer function) for a plurality of spatial frequencies for each of the X-polarized light and the Y-polarized light.
  • FIG. 4D shows through-focus MTFs for a plurality of spatial frequencies for each of the normal optical system 102 and the imaging optical system (EDOF optical system) 101 according to the embodiment.
  • EEOF optical system imaging optical system
  • the first concentric pattern region A1 and the third concentric pattern region A2 are oriented in the Y direction, and the second concentric pattern region B1 is oriented in the X direction. It is assumed that there is.
  • the refractive index of n acts on Y-polarized light, but the BM10 is birefringent. Since it has a rate, a refractive index of n + ⁇ n acts on X-polarized light.
  • a refractive index of n + ⁇ n acts on Y-polarized light
  • a refractive index of n acts on X-polarized light.
  • the refractive indexes acting on the first and third concentric pattern regions A1 and A2 and the second concentric pattern region B1 are different for each of the X-polarized light and the Y-polarized light. Therefore, as shown in FIG. 4B, the first and third concentric pattern regions A1 and A2 and the second concentric pattern region B1 are formed by the distance (thickness of the BM10) when the BM10 is transmitted. , The phase of the transmitted light is out of phase.
  • the guideline for retardation is approximately ⁇ / 4 with respect to the main wavelength ⁇ .
  • the light that has passed through the BM 10 has different wave planes for X-polarized light and Y-polarized light, and is imaged by the imaging optical system 20. Since the X-polarized light and the Y-polarized light have different wave planes, as shown in FIG. 6, the X-polarized light ray Lb and the Y-polarized light ray La are located before and after the image formation position P1 of the normal optical system 102, respectively. An image is formed on Pb and Pa. The respective through-focus MTFs of X-polarized light and Y-polarized light are as shown in FIG. 4 (C).
  • the overall imaging performance of the EDOF optical system is the average value of X-polarized light and Y-polarized light.
  • the through-focus MTF obtained by averaging the respective through-focus MTFs of X-polarized light and Y-polarized light in the EDOF optical system has a gentler shape than the through-focus MTF of the normal optical system 102. ..
  • the wave surface in the EDOF optical system is not an ideal wave surface, the peak MTF decreases.
  • X-polarized light and Y-polarized light are conjugated and imaged with different wave planes. Therefore, it can be said that the EDOF optical system equipped with the BM10 "has two pupil functions".
  • P1 (u, v)
  • P2 (u, v)
  • U and v are the coordinates in the X and Y directions on the pupil
  • ⁇ (u and v) are the wave surface aberrations of the imaging optical system 20 in the state where the BM 10 is not mounted.
  • FIG. 7 shows a comparison between the optical characteristics of the imaging optical system (normal optical system 102) according to the comparative example and the optical characteristics of the imaging optical system (EDOF optical system) 101 according to the embodiment.
  • FIG. 7 shows an example of the frequency characteristics of PSF and MTF as optical characteristics.
  • FIG. 8 shows a comparison between the through-focus MTF of the imaging optical system (normal optical system 102) according to the comparative example and the through-focus MTF of the imaging optical system (EDOF optical system) 101 according to the embodiment.
  • FIG. 8A shows an example of a through-focus MTF of the imaging optical system (normal optical system 102) according to the comparative example.
  • FIG. 8B shows an example of the through-focus MTF of the imaging optical system (EDOF optical system) 101 according to the embodiment.
  • the peak value of the MTF of the EDOF optical system is lower than that of the normal optical system 102. Therefore, in the image pickup apparatus according to the embodiment, a deconvolution filter (deconvolution filter) for image processing is created from the PSF of the EDOF optical system, and the image processing unit 110 (FIG. 6) captures images via the EDOF optical system. It is desirable to perform arithmetic processing by the deconvolution filter on the resulting image. By performing this process, as shown in FIG. 8B, the MTF can be restored to the same level as that of the normal optical system 102.
  • a deconvolution filter deconvolution filter
  • the BM10 can keep the high-frequency MTF at 0 or more at the just focus position, if the deconvolution process for resolving the resolution is added, the BM10 is just focused as shown in FIGS. 8 (A) and 8 (B). At the position, it is possible to realize a limit resolution comparable to that of the normal optical system 102.
  • the imaging optical system 101 can be applied to, for example, an endoscope camera head such as a rigid endoscope or an imaging camera unit for a microscope. Further, it can be used as an optical system for capturing an image by another afocal optical system or a substantially afocal optical system.
  • FIG. 9 schematically shows an application example 1 of the imaging optical system 101 according to the embodiment to an imaging device.
  • FIG. 9 shows a configuration example in which the imaging optical system 101 according to the embodiment is applied to the endoscope camera head 30.
  • the endoscope 31 is, for example, a rigid endoscope or a fiberscope.
  • An eyepiece 32 is attached to the endoscope 31.
  • the camera head 30 for an endoscope is attached to the eyepiece 32.
  • the endoscope camera head 30 includes an image pickup optical system 101 and an image pickup element 100. Image processing using deconvolution derived from the point image distribution function is added to the image captured by the image sensor 100 in the image processing unit 110 (FIG. 6).
  • FIG. 10 schematically shows an application example 2 of the imaging optical system 101 according to the embodiment to an imaging device.
  • FIG. 10 shows a configuration example in which the imaging optical system 101 according to the embodiment is applied to the imaging camera unit 40 for a surgical microscope.
  • the surgical microscope includes an eyepiece 41, an imaging optical system 42, a prism 43, a zoom system 44, and an objective system 45. This surgical microscope can be observed with the naked eye through the eyepiece 41.
  • the imaging camera unit 40 for a surgical microscope is arranged on an optical path branched by, for example, a prism 43.
  • the imaging camera unit 40 for a surgical microscope includes an imaging optical system 101 and an imaging element 100.
  • the imaging camera unit 40 for a surgical microscope is used to image the affected area through the surgical microscope.
  • Image processing using deconvolution derived from the point image distribution function is added to the image captured by the image sensor 100 in the image processing unit 110 (FIG. 6).
  • the permissible arrangement position of the BM 10 is defined by the conditional expression (1), for example, from the angle of incidence of the light beam on the aperture stop St.
  • FIG. 11 shows an outline of a central ray and a peripheral ray passing through the imaging optical system 101 according to the embodiment.
  • FIG. 12 shows an outline of a passing range of a central ray and a passing range of a peripheral ray in the optical phase modulator (BM10) of the imaging optical system 101 according to the embodiment.
  • BM10 optical phase modulator
  • the peripheral light rays are eccentrically incident on the concentric pattern region of the BM 10. Therefore, the phase modulation by the BM10 does not become concentric with respect to the peripheral rays, and the MTF changes significantly as compared with the center. In the eccentric direction, the peak value of MTF decreases at high frequencies. Assuming that the permissible value for lowering the peak value of the MTF is 70% or more at the spatial frequency where the central MTF is 10% or more and the ratio of the central MTF to the peripheral MTF is 70% or more, this permissible value is a conditional expression. It is established by satisfying (1).
  • FIG. 13 shows an example of a through-focus MTF for a plurality of spatial frequencies of the imaging optical system 101 according to the embodiment.
  • conditional expression (2) is optimal for the retardation of BM10. This is because if the upper limit of the conditional expression (2) is exceeded, the focus positions of the X-polarized light and the Y-polarized light are separated too much in the front-rear direction, and as shown in FIG. 13, the through-focus MTF becomes Futatsuyama depending on the spatial frequency. This is because it becomes. In such a state, the focus position cannot be defined in the first place, and it becomes difficult to focus by electronic calculation such as AF (autofocus). Further, if it falls below the lower limit of the conditional expression (2), it becomes difficult to exert the desired effect of BM10.
  • the focal length of the imaging optical system 101 is a medium telephoto lens of 100 mm or more in terms of 35 mm. Satisfying the conditional expression (3) corresponds to the imaging optical system 101 being such a medium telephoto lens.
  • h / f2 ⁇ 0.50 ...... (3)
  • h Maximum image height in the diagonal direction on the imaging surface Sip f2: The focal length of the optical system on the imaging surface Sip side of the aperture stop St of the imaging optical system 20.
  • FIG. 14 shows an outline of flare and ghost generation in the imaging optical system 101A according to the embodiment.
  • FIG. 15 shows a configuration example for suppressing the generation of flare and ghost in the imaging optical system 101B according to the embodiment.
  • the imaging optical system 101A shown in FIG. 14 shows, for example, a configuration example applied to the endoscope camera head 30.
  • An endoscope cover glass 33 and a camera head cover glass 34 are arranged on the object side of the imaging optical system 101A.
  • the camera head cover glass 34 is tilted.
  • the optical filter FL and the seal glass SG are arranged on the optical path between the image pickup optical system 20 and the image pickup element 100.
  • the flat plate-shaped BM10 is vertically arranged (not inclined) with respect to the optical axis.
  • the BM10 is tilted.
  • the configuration of the imaging optical system 101B is the same as that of the imaging optical system 101A except that the BM10 is tilted.
  • w1 The angle of incidence of the light beam formed on the image height in the short side direction of the imaging surface Sip on the aperture diaphragm St: ⁇ : the inclination angle of BM10.
  • the inclination of the BM 10 is arranged so that the inclination direction is opposite to that of the optical element such as the camera head cover glass 34 which is inclined on the object side of the BM 10.
  • Imaging optical systems 101 applied to endoscopes and surgical microscopes are telephoto lenses.
  • the lens used in these applications is preferably small, and it is desirable that the imaging optical system 101 satisfies the following conditional expression.
  • L_all / f2 ⁇ 2.5 > (5)
  • L_all Distance from the object-side surface of the lens having the most power on the object side to the imaging surface Sip in the optical system on the imaging surface Sip side from the aperture stop St
  • f2 Focus of the optical system on the imaging surface Sip side from the aperture stop St Distance (see Fig. 11)
  • the lens group on the most object side has a positive power and then the lens group having a negative power on the imaging surface Sip side of the aperture stop St. Is preferably arranged.
  • the configuration is a telephoto type, and the image pickup optical system 101 can be miniaturized.
  • FIG. 16 shows an example of the passing range of the central ray and the passing range of the peripheral rays in the optical phase modulator (BM10) when there is vignetting in the imaging optical system 101 according to the embodiment.
  • FIG. 17 shows an example of a central ray and a peripheral ray when there is vignetting in the imaging optical system 101 according to the embodiment.
  • the passing range of the peripheral light in the BM 10 becomes smaller than the passing range of the central light, and the passing range of the peripheral light is not circularly symmetric.
  • the diameter of the aperture structure is such that the light rays formed in the effective image circle have an aperture structure. It is desirable that it is sufficiently larger than the optical effective diameter when passing through.
  • the BM 10 gives two pupil functions to the image pickup optical system 20 while satisfying a predetermined condition. , It is possible to extend the depth of field while suppressing the deterioration of the resolution performance.
  • the optimum depth of field can be expanded with resolution performance comparable to that of the normal optical system 102.
  • the imaging optical system 101 according to one embodiment if appropriate ghost countermeasures are taken, it is possible to suppress adverse effects such as contrast reduction and double image, and improve image quality.
  • the imaging optical system 101 since the BM 10 does not have a complicated uneven structure, it is possible to provide a depth magnifying optical system having high medical reliability and manufacturability. By using the imaging optical system 101 according to the embodiment for a medical imaging device, it can be expected that highly accurate and efficient treatment will be possible.
  • Each of the imaging optical systems 1 to 3 according to the following Examples 1 to 3 includes an aperture aperture St, a BM10, and an imaging optical system 20 in this order from the object side toward the imaging surface Ship side.
  • An optical filter FL and a seal glass SG are arranged on an optical path between the imaging optical system 20 and the imaging surface Ship.
  • the BM10s are tilted in each of the imaging optical systems 1 and 2 according to the first and second embodiments.
  • the BM10 is not tilted.
  • the BM 10 has a first concentric pattern region A1 and a second concentric pattern region B1.
  • the imaging element 100 is arranged on the imaging surface Ship. Image processing using an inverse conversion filter is added to the image captured by the image sensor 100 in the image processing unit 110 (FIG. 6).
  • FIG. 18 schematically shows the concentric pattern region of the BM10 and the diameter of the aperture stop St in the imaging optical system 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 19 shows the overall configuration of the imaging optical system 1 according to the first embodiment.
  • the imaging optical system 20 has the first lens G1, the second lens G2, the third lens G3, and the fourth lens in order from the object side toward the imaging surface Ship side. It is composed of a lens G4, a fifth lens G5, and a sixth lens G6.
  • the first lens G1 and the second lens G2 are joined to each other.
  • the fourth lens G4 and the fifth lens G5 are joined to each other.
  • the junction lens composed of the first lens G1 and the second lens G2 is a lens group having positive power.
  • the third lens G3 is a group of lenses having negative power.
  • [Table 1] shows the basic lens data of the imaging optical system 1 according to the first embodiment.
  • "Si” indicates a surface number meaning the i-th surface counting from the object side. The attributes of the surface are added to the surface number.
  • “G1R1” indicates the lens surface of the first lens G1 on the object side
  • “G1R2” indicates the lens surface of the first lens G1 on the imaging surface Ship side.
  • “G2R1” indicates the lens surface of the second lens G2 on the object side
  • “G2R2” indicates the lens surface of the second lens G2 on the imaging surface Ship side. The same applies to other lens surfaces and optical surfaces.
  • “Ri” indicates the radius of curvature of the i-th surface counting from the object side (unit: mm).
  • the portion where the value of "ri” is “ ⁇ ” indicates the aperture stop St, a plane, or a virtual surface.
  • “Di” indicates the distance on the upper surface of the shaft between the i-th surface and the i + 1-th surface counting from the object side (unit: mm).
  • “Ndi” indicates the refractive index of the glass material or material having the i-plane on the object side with respect to the d-line (wavelength 587.6 nm).
  • “ ⁇ di” indicates the Abbe number with respect to the d-line of the glass material or material having the i-th plane on the object side. The same applies to the lens data in the other examples thereafter.
  • the focal length (f) of the entire system, the aperture diameter (D) of the aperture stop St, and the open F value (Fno) in the imaging optical system 1 according to the first embodiment are shown.
  • the image height (IH) value is shown.
  • the radius (Ring1) of the first concentric pattern region A1 of the optical phase modulator (BM10) and the radius (Ring2) of the second concentric pattern region B1 are shown in FIG. 18) and the value of the retardation (Re) are shown.
  • FIG. 20 shows the through-focus MTF of the imaging optical system 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 20 shows a through-focus MTF with respect to the spatial frequency (100 (Lp / mm)) in which the BM10 has the strongest influence.
  • the through-focus MTF of the imaging optical system 1 according to the first embodiment the characteristics when the image processing is not performed (with depth expansion (without image processing)) and the image processing by the inverse conversion filter are performed. The characteristics of the case (with depth expansion (with image processing)) are shown.
  • FIG. 20 shows a through-focus MTF of an optical system (without depth expansion) that does not use BM10 as a comparative example.
  • the peak of the through-focus MTF is significantly reduced as compared with the optical system in which the BM10 is not used.
  • the peak of the through focus MTF can be returned to the same level as the optical system without BM10. And the depth can be greatly expanded.
  • FIG. 21 shows the frequency characteristics of the MTF at the focus position of the imaging optical system 1 according to the first embodiment.
  • the characteristics when image processing is not performed are shown by solid lines.
  • FIG. 21 shows the frequency characteristics of the MTF of the optical system (without depth expansion) that does not use the BM10 as a comparative example.
  • FIG. 21 shows the frequency characteristics of the inverse conversion filter for applying an ideal deconvolution process for returning to the same resolution as the optical system without using the BM 10. The same applies to the frequency characteristics of the MTF in the other examples thereafter.
  • the frequency characteristic of the MTF is lower than that in the optical system not using the BM10.
  • the frequency characteristics of MTF can be substantially equal to that of the optical system without BM10. Can be returned.
  • FIG. 22 schematically shows the concentric pattern region of the BM10 and the diameter of the aperture stop St in the imaging optical system 2 according to the second embodiment.
  • FIG. 23 shows the overall configuration of the imaging optical system 2 according to the second embodiment.
  • the image pickup optical system 2 according to the second embodiment has substantially the same configuration as the image pickup optical system 1 according to the first embodiment, but the aperture diameter (D) of the aperture stop St is relative to the image pickup optical system 1 according to the first embodiment. ) Is changing.
  • the imaging optical system 2 according to the second embodiment shows that the effect of depth expansion changes by changing the diaphragm diameter of the aperture diaphragm St.
  • [Table 3] shows the basic lens data of the imaging optical system 2 according to the second embodiment.
  • [Table 4] shows the focal length (f) of the entire system, the aperture diameter (D) of the aperture stop St, and the open F value (Fno) in the imaging optical system 2 according to the second embodiment.
  • the image height (IH) value is shown.
  • the radius (Ring1) of the first concentric pattern region A1 of the optical phase modulator (BM10) and the radius (Ring2) of the second concentric pattern region B1 are shown in FIG. 22) and the value of the retardation (Re) are shown.
  • FIG. 24 shows the through-focus MTF of the imaging optical system 2 according to the second embodiment.
  • FIG. 24 shows a through-focus MTF with respect to the spatial frequency (100 (Lp / mm)) in which the BM10 has the strongest influence.
  • the through-focus MTF of the imaging optical system 2 according to the second embodiment the characteristics when the image processing is not performed (with depth expansion (without image processing)) and the image processing by the inverse conversion filter are performed. The characteristics of the case (with depth expansion (with image processing)) are shown.
  • FIG. 24 shows a through-focus MTF of an optical system (without depth expansion) that does not use BM10 as a comparative example. As shown in FIG.
  • the peak of the through-focus MTF is significantly reduced as compared with the optical system without the BM10.
  • the peak of the through focus MTF can be returned to the same level as the optical system without BM10. And the depth can be greatly expanded.
  • FIG. 25 shows the frequency characteristics of the MTF at the focus position of the imaging optical system 2 according to the second embodiment.
  • the frequency characteristic of the MTF is lowered as compared with the optical system not using the BM10.
  • the frequency characteristics of MTF can be substantially equal to that of the optical system without BM10. Can be returned.
  • FIG. 26 schematically shows a concentric pattern region of the optical phase modulator (BM10) and the diameter of the aperture stop St in the imaging optical system 3 according to the third embodiment.
  • FIG. 27 shows the configuration of the imaging optical system 3 according to the third embodiment.
  • the imaging optical system 20 has the first lens G1, the second lens G2, the third lens G3, and the fourth lens in order from the object side to the imaging surface Ship side. It is composed of a lens G4 and a fifth lens G5. Each lens is a single lens.
  • the first lens G1 is a lens group having a positive power.
  • the second lens G2 is a group of lenses having negative power.
  • [Table 5] shows the basic lens data of the imaging optical system 3 according to the third embodiment. Further, in [Table 6], the focal length (f) of the entire system, the aperture diameter (D) of the aperture stop St, and the open F value (Fno) in the imaging optical system 3 according to the third embodiment are shown. , And the image height (IH) value. Further, in [Table 6], the radius of the first concentric pattern region (Ring1) of the optical phase modulator (BM10) (see FIG. 26) and the radius of the second concentric pattern region (Ring2) (see FIG. 26). ), And the value of the retardation (Re).
  • FIG. 28 shows the through-focus MTF of the imaging optical system 3 according to the third embodiment.
  • FIG. 28 shows the through-focus MTF with respect to the spatial frequency (40 (Lp / mm)) in which the BM10 has the strongest influence.
  • the through-focus MTF of the imaging optical system 3 according to the third embodiment the characteristics when the image processing is not performed (with depth expansion (without image processing)) and the image processing by the inverse conversion filter are performed. The characteristics of the case (with depth expansion (with image processing)) are shown.
  • FIG. 28 shows a through-focus MTF of an optical system (without depth expansion) that does not use BM10 as a comparative example. As shown in FIG.
  • the peak of the through-focus MTF is significantly reduced as compared with the optical system without the BM10.
  • the peak of the through focus MTF can be returned to the same level as the optical system without BM10. And the depth can be greatly expanded.
  • FIG. 29 shows the frequency characteristics of the MTF at the focus position of the imaging optical system 3 according to the third embodiment.
  • the frequency characteristic of the MTF is lowered as compared with the optical system not using the BM10.
  • the frequency characteristics of MTF can be substantially equal to that of the optical system without BM10. Can be returned.
  • [Other numerical data of each embodiment] [Table 7] shows the values related to each of the above conditional expressions summarized for each embodiment. As can be seen from [Table 7], the conditional expressions of Examples 1 and 2 are satisfied. In Example 3, each conditional expression is satisfied except for the conditional expression (4).
  • the present technology may have the following configuration.
  • two pupil functions are given to the imaging optical system by the optical phase modulator while satisfying a predetermined condition, so that the deterioration of the resolution performance is suppressed. It is possible to extend the depth of field.
  • the optical phase modulator It is an optical element that does not have refractive power. It has an optical element substrate and a birefringent layer formed on the surface of the optical element substrate.
  • the birefringence layer has at least two or more concentric pattern regions for providing phase modulation, and the relative angle of birefringence anisotropy between two adjacent concentric pattern regions is 90 °.
  • the imaging optical system according to any one of the above [1] to [3].
  • the optical phase modulator It is an optical element that does not have refractive power. It has two optical element substrates and a birefringent layer formed between the two optical element substrates.
  • the birefringence layer has at least two or more concentric pattern regions for providing phase modulation, and the relative angle of birefringence anisotropy between two adjacent concentric pattern regions is 90 °.
  • the imaging optical system according to any one of the above [1] to [3].
  • the imaging optical system according to one. [11] The imaging optical system has a lens group having a positive power and a lens group having a negative power in order from the object side on the imaging surface side of the aperture diaphragm [1] to [10]. The imaging optical system according to any one of the above. [12] The imaging optical system according to any one of the above [1] to [11], which satisfies the following conditional expression.
  • L_all / f2 ⁇ 2.5 ?? (5)
  • L_all Distance from the object-side surface of the most powerful lens arranged on the object side to the imaging surface in the optical system on the imaging surface side of the aperture diaphragm
  • f2 Focal length of the optical system on the imaging surface side from the aperture diaphragm And.
  • Imaging optical system according to any one of the above [1] to [13], which is configured as an optical system for a camera head of a rigid endoscope.
  • Imaging optics and Includes an image sensor arranged at the imaging position by the image pickup optical system.
  • the imaging optical system is Aperture aperture and An imaging optical system that forms an image toward the imaging surface of the image sensor, It is composed of a substance having a birefringence and includes an optical phase modulator that gives two pupil functions to the imaging optical system.
  • An image pickup device that satisfies the following conditional expression.

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Abstract

本開示の撮像光学系は、開口絞りと、撮像素子の撮像面に向けて像を結像させる結像光学系と、複屈折率を有する物質で構成され、結像光学系に対して２つの瞳関数を与える光学的位相変調子とを備え、以下の条件式を満足する。　１≦（２×Ｌ×ｔａｎ（ｗ）＋Ｄ）／Ｄ＜１．４　……（１）　λ／４＊０．７５＜Ｒｅ＜λ／４＊１．１　……（２） ただし、Ｌ：開口絞りと光学的位相変調子との距離、Ｄ：開口絞りの絞り径（直径）、ｗ：開口絞りに入射する主光線の最大入射角、λ：光の波長、Ｒｅ：光学的位相変調子の複屈折による位相のリタデーション、とする。

Description

撮像光学系、および撮像装置
　本開示は、被写界深度の拡張を行うことが可能な撮像光学系、および撮像装置に関する。
　被写界深度の拡張を行う技術が種々、提案されている（特許文献１～４参照）。
特開２０１５－５９１９号公報 特開２０１８－１０１０６５号公報 特開２０１０－２７１６８９号公報 米国特許出願公開第２０１２／０２８１２８０号
　例えば医療用撮像機器では、高解像化への要求があるが、高解像度化に伴って被写界深度の低下が生じることが懸念される。
　解像性能の低下を抑制しつつ被写界深度の拡張を行うことが可能な撮像光学系、および撮像装置を提供することが望ましい。
　本開示の一実施の形態に係る撮像光学系は、開口絞りと、撮像素子の撮像面に向けて像を結像させる結像光学系と、複屈折率を有する物質で構成され、結像光学系に対して２つの瞳関数を与える光学的位相変調子とを備え、以下の条件式を満足する。
　１≦（２×Ｌ×ｔａｎ（ｗ）＋Ｄ）／Ｄ＜１．４　……（１）
　λ／４＊０．７５＜Ｒｅ＜λ／４＊１．１　……（２）
ただし、
　Ｌ：開口絞りと光学的位相変調子との距離
　Ｄ：開口絞りの絞り径（直径）
　ｗ：開口絞りに入射する主光線の最大入射角
　λ：光の波長
　Ｒｅ：光学的位相変調子の複屈折による位相のリタデーション
とする。
　本開示の一実施の形態に係る撮像装置は、撮像光学系と、撮像光学系の結像位置に配置された撮像素子とを含み、撮像光学系が、上記本開示の一実施の形態に係る撮像光学系によって構成されている。
　本開示の一実施の形態に係る撮像光学系、または撮像装置では、所定の条件を満たしつつ、光学的位相変調子によって結像光学系に対して２つの瞳関数が与えられることによって、解像性能の低下を抑制しつつ被写界深度の拡張が行われる。
本開示の一実施の形態に係る撮像光学系における光学的位相変調子としてのＢＭの一構成例を概略的に示す断面図である。 一実施の形態に係る撮像光学系における光学的位相変調子としてのＢＭの他の構成例を概略的に示す断面図である。 一実施の形態に係る撮像光学系におけるＢＭの同心円状パターン領域の一構成例を概略的に示す平面図である。 ＢＭの光学特性を概略的に示す説明図である。 比較例に係る撮像光学系（通常光学系）の一構成例を概略的に示す断面図である。 一実施の形態に係る撮像光学系（ＥＤＯＦ光学系）の一構成例を概略的に示す断面図である。 比較例に係る撮像光学系の光学特性と一実施の形態に係る撮像光学系の光学特性とを比較して示す説明図である。 比較例に係る撮像光学系のスルーフォーカスＭＴＦと一実施の形態に係る撮像光学系のスルーフォーカスＭＴＦとを比較して示す説明図である。 一実施の形態に係る撮像光学系の撮像装置への適用例１を概略的に示す断面図である。 一実施の形態に係る撮像光学系の撮像装置への適用例２を概略的に示す断面図である。 一実施の形態に係る撮像光学系を通過する中心光線と周辺光線の概要を示す断面図である。 一実施の形態に係る撮像光学系のＢＭにおける中心光線の通過範囲と周辺光線の通過範囲との概要を示す説明図である。 一実施の形態に係る撮像光学系の複数の空間周波数についてのスルーフォーカスＭＴＦの一例を示す特性図である。 一実施の形態に係る撮像光学系におけるフレア、およびゴーストの発生の概要を示す説明図である。 一実施の形態に係る撮像光学系におけるフレア、およびゴーストの発生を抑制する構成例についての説明図である。 一実施の形態に係る撮像光学系において、ビネッティングがある場合のＢＭにおける中心光線の通過範囲と周辺光線の通過範囲との一例を示す説明図である。 一実施の形態に係る撮像光学系において、ビネッティングがある場合の中心光線と周辺光線の一例を示す断面図である。 実施例１に係る撮像光学系におけるＢＭの同心円状パターン領域の構成と開口絞りの直径とを概略的に示す平面図である。 実施例１に係る撮像光学系の全体構成を示す断面図である。 実施例１に係る撮像光学系のスルーフォーカスＭＴＦを示す特性図である。 実施例１に係る撮像光学系のピント位置におけるＭＴＦの周波数特性を示す特性図である。 実施例２に係る撮像光学系におけるＢＭの同心円状パターン領域の構成と開口絞りの直径とを概略的に示す平面図である。 実施例２に係る撮像光学系の全体構成を示す断面図である。 実施例２に係る撮像光学系のスルーフォーカスＭＴＦを示す特性図である。 実施例２に係る撮像光学系のピント位置におけるＭＴＦの周波数特性を示す特性図である。 実施例３に係る撮像光学系におけるＢＭの同心円状パターン領域の構成と開口絞りの直径とを概略的に示す平面図である。 実施例３に係る撮像光学系の全体構成を示す断面図である。 実施例３に係る撮像光学系のスルーフォーカスＭＴＦを示す特性図である。 実施例３に係る撮像光学系のピント位置におけるＭＴＦの周波数特性を示す特性図である。
　以下、本開示の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
　０．比較例
　１．一実施の形態に係る撮像光学系の概要
　２．適用例
　３．望ましい構成例
　４．効果
　５．数値実施例
　６．その他の実施の形態
＜０．比較例＞
　医療用撮像機器において、高解像化されることは大きなメリットである。なぜならば、微細な血管や神経、リンパ節など、今までの解像度では見えなかった組織が見られることにより、手術の精度が上がることが期待できるからである。しかし、高解像度化に伴って被写界深度の低下が懸念される。ピント位置から少しでもずれると、ボケてしまっているように見えてしまうため、被写界深度の浅さから術者へのストレスを与えてしまう。またピント修正の頻度を上げてしまうなど、操作の負担を増大させる可能性も考えられる。医療用撮像機器としては、手術顕微鏡、内視鏡、および術野カメラなどが挙げられ、これらの機器は高解像度化と同時に被写界深度が拡大されることが望まれている。
　一般に、光学系において被写界深度を拡げることは、単にＦ値を暗くすることで実現可能であるが、限界解像を落としたり、光量を落としたりすることで、ノイズの増大などにより、画質自体に影響してしまう。そこで、被写界深度の拡大をしていない通常の光学系と同等の画質を有する深度拡張光学系の開発が求められている。
　特許文献１（特開２０１５－５９１９号公報）には、結像光学系に球面収差を付与することによって被写界深度を拡大する技術が提案されている。しかし、この技術はＦ値が明るいことが前提であり、結像光学系の限界解像が、センサーのナイキスト周波数に対して十分余裕のあるときにしか有効ではない。医療用撮像機器で用いられる光学系は、Ｆ値が暗いため、解像性能は回折限界に近い。球面収差を起こしてしまうと限界解像を損なう。
　特許文献２（特開２０１８－１０１０６５号公報）、および特許文献３（特開２０１０－２７１６８９号公報）に記載の技術では、光学系の開口絞り付近に光学的に位相変調させるための、凹凸構造を持たせたフィルタを有するＷＦＣ（Wave Front Coding）技術を用いて、深度拡大を可能にしている。ただし、高熱殺菌に耐えられることを求められる医療的な信頼性など考慮すると、このような物理的構造は、経年劣化が懸念され適さない。また、ＡＲ（Anti Reflection）コートなども難しく、フレア、ゴースト対策も困難だと考えられる。
　特許文献４（米国特許出願公開第２０１２／０２８１２８０号）では、複屈折率物質を用いた位相変調素子を提案しており、これにより通常光学系より深度拡大を可能にする技術が提案されている。しかしながら、具体的な適用範囲や、最適な設計解が明示されていない。
＜１．一実施の形態に係る撮像光学系の概要＞
　一実施の形態に係る撮像光学系は、開口絞りと、結像光学系と、光学的位相変調子とを備える。結像光学系は、撮像素子の撮像面に向けて像を結像させる。光学的位相変調子は、複屈折率を有する物質で構成され、直交関係にある２つの偏光に、それぞれ異なる位相変調を与えることによって、結像光学系に対して２つの瞳関数を与える光学素子である。
　図１は、本開示の一実施の形態に係る撮像光学系における光学的位相変調子の一構成例を概略的に示している。図２は、一実施の形態に係る撮像光学系における光学的位相変調子の他の構成例を概略的に示している。
　一実施の形態に係る撮像光学系における光学的位相変調子は、深度拡張デバイス（ＢＭ：Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔ　Ｍａｓｋ）であり、結像光学系の被写界深度を拡張させる効果を有する。一実施の形態に係る撮像光学系は、ＢＭを搭載することによって被写界深度を拡張したＥＤＯＦ（Extended Depth of Focus）光学系である。ＢＭのデバイスそのものの技術は、例えば上記特許文献４にも記載されている。本開示の技術はＷＦＣ技術に類する。
　ＢＭは、屈折力を持たない光学素子であり、光学素子基板と光学素子基板の表面上に形成された複屈折層とを有する。例えば、図１に示したＢＭ１０のように、ガラス基板１２と、ガラス基板１２の表面上に形成された複屈折層としてのＢＭ層１１とを有する。
　また、ＢＭは、２つの光学素子基板の間に複屈折層をサンドイッチのように挟み込まれる構造であってもよい。例えば、図２に示したＢＭ１０Ａのように、２つのガラス基板１２，１３の間に複屈折層としてのＢＭ層１１を形成した構造であってもよい。サンドイッチ型の構造にすれば、例えば図２に示した構造において、ガラス基板１３上にＡＲコートなどを施すことも容易であるので、ゴーストやフレアの懸念が軽減される。
　図３は、一実施の形態に係る撮像光学系におけるＢＭ１０の同心円状パターン領域の一構成例を概略的に示している。
　ＢＭ１０は、他の光学的位相変調子と違い、その効果を得るための凹凸形状のような構造を持たない。ＢＭ層１１には、図３に示したように、同心円状のパターン領域が存在し、その隣り合うパターン領域同士の複屈折の異方性の相対的角度が９０°になるように配向されている。図３には、中心から順に、第１同心円状パターン領域Ａ１、第２同心円状パターン領域Ｂ１、および第３同心円状パターン領域Ａ２が形成されている例を示す。ただし、同心円状のパターン領域の数は、３つに限らず、２つまたは４つ以上、形成されていてもよい。
　ＢＭ１０の光学的特性を、さらに図４ないし図６を参照して説明する。図４（Ａ）～図４（Ｄ）は、光学的位相変調子（ＢＭ１０）の光学特性を概略的に示している。図５は、比較例に係る撮像光学系（通常光学系１０２）の一構成例を概略的に示している。図６は、一実施の形態に係る撮像光学系（ＥＤＯＦ光学系）１０１の一構成例を概略的に示している。
　図５に示した比較例に係る撮像光学系は、開口絞りＳｔと、結像光学系２０とを備える。図５に示した比較例に係る撮像光学系は、構成要素としてＢＭ１０を含まない通常光学系１０２である。
　図６に示した一実施の形態に係る撮像光学系１０１は、通常光学系１０２の構成に対して、開口絞りＳｔの付近にＢＭ１０を備えたＥＤＯＦ光学系である。なお、図６では、開口絞りＳｔよりも撮像面Ｓｉp側にＢＭ１０を配置した構成例を示しているが、開口絞りＳｔよりも物体側にＢＭ１０を配置した構成も可能である。また、図６では、開口絞りＳｔよりも撮像面Ｓｉp側に結像光学系２０を配置した構成例を示しているが、開口絞りＳｔよりも物体側に結像光学系２０の一部の光学系が配置されていてもよい。このような撮像光学系１０１を搭載した撮像装置は、撮像光学系１０１による結像位置に配置された撮像素子と、撮像素子による撮像画像に対して、後述するＰＳＦ（Point Spread Function、点像分布関数）から導かれたデコンボリューションを用いた画像処理を行う画像処理部１１０とを備える。
　図４（Ａ）には、ＢＭ１０における直交する２つの偏光（Ｘ偏光、Ｙ偏光）に作用する屈折率の一例を示す。図４（Ｂ）には、ＢＭ１０によってＸ偏光とＹ偏光とのそれぞれに作用する位相変調の一例を示す。図４（Ｃ）には、Ｘ偏光とＹ偏光とのそれぞれについて、複数の空間周波数についてのスルーフォーカスＭＴＦ（Modulation transfer function）を示す。図４（Ｄ）には、通常光学系１０２と一実施の形態に係る撮像光学系（ＥＤＯＦ光学系）１０１とのそれぞれについて、複数の空間周波数についてのスルーフォーカスＭＴＦを示す。
　例えば図３に示したように、ＢＭ１０において第１同心円状パターン領域Ａ１と第３同心円状パターン領域Ａ２とがＹ方向に配向されており、第２同心円状パターン領域Ｂ１がＸ方向に配向されているものとする。この場合、図４（Ａ）に示したように、第１同心円状パターン領域Ａ１と第３同心円状パターン領域Ａ２では、Ｙ偏光に対してはｎの屈折率が作用するが、ＢＭ１０は複屈折率を有するため、Ｘ偏光に対してはｎ＋Δｎの屈折率が作用する。一方、第２同心円状パターン領域Ｂ１では逆に、Ｙ偏光に対してはｎ＋Δｎの屈折率が作用し、Ｘ偏光に対してはｎの屈折率が作用する。
　この現象により、Ｘ偏光とＹ偏光とのそれぞれに対して、第１、第３同心円状パターン領域Ａ１，Ａ２と第２同心円状パターン領域Ｂ１とで作用する屈折率が異なる。このため、図４（Ｂ）に示したように、ＢＭ１０の透過時の距離（ＢＭ１０の厚み）の分、第１、第３同心円状パターン領域Ａ１，Ａ２と第２同心円状パターン領域Ｂ１とで、透過した光の位相がずれる。その位相ずれ（リタデーション）は、
　「（リタデーション）＝Δｎ×（ＢＭの厚み）」というパラメータで表される。リタデーションの目安は、おおよそ、主波長λに対しλ／４程度である。
　ＢＭ１０を通った光は、Ｘ偏光とＹ偏光とで異なった波面を持ち、結像光学系２０によって結像される。Ｘ偏光とＹ偏光とで異なった波面を持つため、図６に示したように、Ｘ偏光の光線ＬｂとＹ偏光の光線Ｌａとがそれぞれ、通常光学系１０２の結像位置Ｐ１の前後の位置Ｐｂ，Ｐａに結像する。Ｘ偏光とＹ偏光とのそれぞれのスルーフォーカスＭＴＦは、図４（Ｃ）に示したようになる。
　ＥＤＯＦ光学系の全体的な結像性能は、Ｘ偏光とＹ偏光との平均値となる。ＥＤＯＦ光学系におけるＸ偏光とＹ偏光とのそれぞれのスルーフォーカスＭＴＦを平均化したスルーフォーカスＭＴＦは、図４（Ｄ）に示したように、通常光学系１０２のスルーフォーカスＭＴＦよりなだらかな形になる。ただし、ＥＤＯＦ光学系における波面は、理想的な波面ではないので、ピークＭＴＦは低下する。また、ＥＤＯＦ光学系では、Ｘ偏光とＹ偏光とでそれぞれ共役かつ、別の波面を持ったうえで結像される。このため、ＢＭ１０を搭載したＥＤＯＦ光学系は、「２つの瞳関数を持つ」と言える。
　ここで、ＢＭ１０の位相変調によって与えられた第１偏光状態（例えばＸ偏光）と第２偏光状態（例えばＹ偏光）とのそれぞれの波面収差をΨ１（ｕ，ｖ）とΨ２（ｕ，ｖ）と表すとすると、
　Ψ２（ｕ，ｖ）＝－Ψ１（ｕ，ｖ）
　と共役の関係にある。
　ＥＤＯＦ光学系の瞳関数Ｐ（ｕ，ｖ）は、それぞれの第１偏光状態、第２偏光状態において、下記の通り与えられる。
　Ｐ１（ｕ，ｖ）＝｜Ｐ（ｕ，ｖ）｜ｅｘｐ｛＋ｉ（θ（ｕ，ｖ）＋Ψ１（ｕ，ｖ））｝
　Ｐ２（ｕ，ｖ）＝｜Ｐ（ｕ，ｖ）｜ｅｘｐ｛＋ｉ（θ（ｕ，ｖ）－Ψ１（ｕ，ｖ））｝
　ｕ，ｖは瞳上のＸ方向，Ｙ方向の座標であり、θ（ｕ，ｖ）は、ＢＭ１０を搭載していない状態での結像光学系２０の波面収差である。
（画像処理との組み合わせ）
　図７は、比較例に係る撮像光学系（通常光学系１０２）の光学特性と一実施の形態に係る撮像光学系（ＥＤＯＦ光学系）１０１の光学特性とを比較して示している。図７には、光学特性として、ＰＳＦとＭＴＦの周波数特性との一例を示す。図８は、比較例に係る撮像光学系（通常光学系１０２）のスルーフォーカスＭＴＦと一実施の形態に係る撮像光学系（ＥＤＯＦ光学系）１０１のスルーフォーカスＭＴＦとを比較して示している。図８（Ａ）には、比較例に係る撮像光学系（通常光学系１０２）のスルーフォーカスＭＴＦの一例を示す。図８（Ｂ）には、一実施の形態に係る撮像光学系（ＥＤＯＦ光学系）１０１のスルーフォーカスＭＴＦの一例を示す。
　図７および図８（Ａ），（Ｂ）に示したように、ＥＤＯＦ光学系のＭＴＦは通常光学系１０２よりも、ピーク値が下がってしまう。そのため、一実施の形態に係る撮像装置では、ＥＤＯＦ光学系のＰＳＦから画像処理用のデコンボリューションフィルタ（逆変換フィルタ）を作成し、画像処理部１１０（図６）においてＥＤＯＦ光学系を介して撮像された画像にデコンボリューションフィルタによる演算処理を行うことが望ましい。この処理を行うことにより、図８（Ｂ）に示したように、ＭＴＦを通常光学系１０２と同じレベルまで復活させることができる。また、ＢＭ１０はジャストピント位置では、高周波のＭＴＦを０以上に保つことができるため、解像復活のデコンボリューション処理を加えれば、図８（Ａ），（Ｂ）に示したように、ジャストピント位置において、通常光学系１０２と遜色のない限界解像を実現できる。
＜２．適用例＞
　次に、一実施の形態に係る撮像光学系１０１の撮像装置への適用例を説明する。なお、以下では、上記一実施の形態に係る撮像光学系１０１の構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。
　一実施の形態に係る撮像光学系１０１は、例えば、硬性内視鏡等の内視鏡用カメラヘッドや、顕微鏡用の撮像カメラユニットに適用可能である。また、その他のアフォーカル光学系、または略アフォーカル光学系による像を撮像するための光学系として用いることができる。
（適用例１）
　図９は、一実施の形態に係る撮像光学系１０１の撮像装置への適用例１を概略的に示している。図９には、一実施の形態に係る撮像光学系１０１を内視鏡用カメラヘッド３０に適用した構成例を示す。
　内視鏡３１は、例えば硬性内視鏡またはファイバースコープである。内視鏡３１には接眼部３２が取り付けられている。
　内視鏡用カメラヘッド３０は、接眼部３２に取り付けられている。内視鏡用カメラヘッド３０は、撮像光学系１０１と、撮像素子１００とを備える。撮像素子１００による撮像画像には、画像処理部１１０（図６）において、点像分布関数から導かれたデコンボリューションを用いた画像処理が加えられる。
（適用例２）
　図１０は、一実施の形態に係る撮像光学系１０１の撮像装置への適用例２を概略的に示している。図１０には、一実施の形態に係る撮像光学系１０１を手術顕微鏡用撮像カメラユニット４０に適用した構成例を示す。
　手術顕微鏡は、接眼部４１と、結像光学系４２と、プリズム４３と、ズーム系４４と、対物系４５とを備える。この手術顕微鏡は、接眼部４１を介して肉眼による観察が可能である。手術顕微鏡用撮像カメラユニット４０は、例えばプリズム４３によって分岐された光路上に配置される。
　手術顕微鏡用撮像カメラユニット４０は、撮像光学系１０１と、撮像素子１００とを備える。手術顕微鏡用撮像カメラユニット４０は、手術顕微鏡を介して患部を撮像するために用いられる。撮像素子１００による撮像画像には、画像処理部１１０（図６）において、点像分布関数から導かれたデコンボリューションを用いた画像処理が加えられる。
＜３．望ましい構成例＞
　以下、一実施の形態に係る撮像光学系１０１の望ましい構成例について説明する。
（設置許容位置）
　一実施の形態に係る撮像光学系１０１において、ＢＭ１０は位相変調が作用する面を開口絞りＳｔ上に配置することが望ましい。しかし、ゴースト対策や、開口絞りＳｔのメカ構造などの様々な要因により、理想的な位置にＢＭ１０を配置することが困難である。ＢＭ１０の許容配置位置は、例えば、開口絞りＳｔへの光線の入射角度から、条件式（１）によって規定される。
　１≦（２×Ｌ×ｔａｎ（ｗ）＋Ｄ）／Ｄ＜１．４　……（１）
ただし、
　Ｌ：開口絞りＳｔと光学的位相変調子（ＢＭ１０）との距離
　Ｄ：開口絞りＳｔの絞り径（直径）
　ｗ：開口絞りＳｔに入射する主光線の最大入射角
とする。
　図１１は、一実施の形態に係る撮像光学系１０１を通過する中心光線と周辺光線の概要を示している。図１２は、一実施の形態に係る撮像光学系１０１の光学的位相変調子（ＢＭ１０）における中心光線の通過範囲と周辺光線の通過範囲との概要を示している。
　図１１および図１２に示したように、撮像光学系１０１において、周辺光線は、ＢＭ１０の同心円状パターン領域に対し、偏心して入射されてしまう。このため、ＢＭ１０による位相変調は周辺光線に対し同心円状にならず、中心と比べＭＴＦが大きく変化してしまう。偏心方向に対しては、高周波ではＭＴＦのピーク値が下がってしまう。このＭＴＦのピーク値が下がってしまう許容値を、中心のＭＴＦが１０％以上となる空間周波数において、中心のＭＴＦと周辺のＭＴＦとの比率が７０％以上とすると、この許容値は、条件式（１）を満たすことで成り立つ。
（ＢＭの許容リタデーション）
　一実施の形態に係る撮像光学系１０１は、以下の条件式を満足することが望ましい。
　λ／４＊０．７５＜Ｒｅ＜λ／４＊１．１　……（２）
ただし、
　λ：光の波長
　Ｒｅ：光学的位相変調子（ＢＭ１０）の複屈折による位相のリタデーション
とする。
　図１３は、一実施の形態に係る撮像光学系１０１の複数の空間周波数についてのスルーフォーカスＭＴＦの一例を示している。図１３には、好ましい例としてＢＭ１０のリタデーションが条件式（２）の範囲内にある場合（Ｒｅ＝λ／４＊０．８６）と、好ましくない例として条件式（２）の範囲外にある場合（Ｒｅ＝λ／４＊１．１）とのスルーフォーカスＭＴＦを示す。
　ＢＭ１０のリタデーションは条件式（２）の範囲が最適である。なぜならば、条件式（２）の上限を上回ると、Ｘ偏光とＹ偏光とでピント位置が前後に分離しすぎてしまい、図１３に示したように、空間周波数によってはスルーフォーカスＭＴＦが双山になってしまうためである。このような状態になると、そもそもピント位置を定義できず、ＡＦ（オートフォーカス）など電子的な演算によるフォーカス合わせが困難になってしまう。また、条件式（２）の下限を下回ると、望まれるＢＭ１０の効果を発揮することが困難となる。波長は可視光の場合はλ＝５５０ｎｍ程度であり、条件式（２）におけるλは深度拡張を最大限望む波長に任意に設定する。
（望ましい適用レンズ）
　例えば図９に示した内視鏡用カメラヘッド３０を硬性内視鏡に適用する場合、撮像光学系１０１の焦点距離は３５ｍｍ換算で１００ｍｍ以上の中望遠レンズであることが望ましい。条件式（３）を満たすことは、撮像光学系１０１が、そのような中望遠レンズであることに相当する。
　ｈ／ｆ２＜０．５０　……（３）
ただし、
　ｈ：撮像面Ｓｉpにおける対角方向の最大像高
　ｆ２：結像光学系２０の開口絞りＳｔよりも撮像面Ｓｉp側の光学系の焦点距離
とする。
（フレア、ゴースト対策）
　図１４は、一実施の形態に係る撮像光学系１０１Ａにおけるフレア、およびゴーストの発生の概要を示している。図１５は、一実施の形態に係る撮像光学系１０１Ｂにおけるフレア、およびゴーストの発生を抑制する構成例を示している。
　図１４に示した撮像光学系１０１Ａは、例えば、内視鏡用カメラヘッド３０に適用される構成例を示している。撮像光学系１０１Ａの物体側には、内視鏡カバーガラス３３とカメラヘッドカバーガラス３４とが配置されている。カメラヘッドカバーガラス３４は、傾斜配置されている。撮像光学系１０１Ａにおいて、結像光学系２０と撮像素子１００との間の光路上には、光学フィルタＦＬと、シールガラスＳＧとが配置されている。撮像光学系１０１Ａでは、平板状のＢＭ１０が光軸に対して垂直配置されている（傾斜配置されていない）。一方、図１５に示した撮像光学系１０１Ｂでは、ＢＭ１０が傾斜配置されている。撮像光学系１０１Ｂの構成は、ＢＭ１０が傾斜配置されていることを除き、撮像光学系１０１Ａと同様である。
　結像光学系２０の前にＢＭ１０のような平面板が配置され、さらにＢＭ１０の前後に内視鏡カバーガラス３３やカメラヘッドカバーガラス３４等の光学素子が存在する場合、図１４に示したように、ＢＭ１０およびその前後の光学素子における反射光Ｌｒによる、フレア、およびゴーストの発生が懸念される。特にＢＭ１０にＡＲコートができない場合は、ＢＭ１０における反射光Ｌｒによってフレア、およびゴーストが発生し、解像性能の低下や、疑似像による被写体の誤認の懸念がある。
　この対策のため、図１５に示したように、ＢＭ１０の配置に関し、ゴースト、およびフレアとなる反射光Ｌｒを画角外に飛ばすような傾斜を与えることが望ましい。この場合、ＢＭ１０は、以下の条件式を満足するように傾斜配置されていることが望ましい。
　１＜θ／ｗ１＜２　……（４）
ただし、
　ｗ１：撮像面Ｓｉpの短辺方向の像高に結像する光線の、開口絞りＳｔへの入射角度
　θ：ＢＭ１０の傾斜角
とする。
　また、ＢＭ１０の傾斜は、ＢＭ１０よりも物体側に傾斜配置されたカメラヘッドカバーガラス３４等の光学素子に対して、傾斜方向が反対方向となるように傾斜配置されていることが望ましい。
（小型化に適した構成例）
　内視鏡や手術顕微鏡に適用される撮像光学系１０１の多くは望遠レンズである。これらの用途で使われるレンズは小型である方が良く、撮像光学系１０１は、以下の条件式を満足することが望ましい。
　Ｌ＿ａｌｌ／ｆ２＜２．５　……（５）
ただし、
　Ｌ＿ａｌｌ：開口絞りＳｔより撮像面Ｓｉp側の光学系において、最も物体側のパワーのあるレンズの物体側の面から撮像面Ｓｉpまでの距離
　ｆ２：開口絞りＳｔより撮像面Ｓｉp側の光学系の焦点距離（図１１参照）
　また、内視鏡や手術顕微鏡に適用される撮像光学系１０１は、開口絞りＳｔより撮像面Ｓｉp側において、最も物体側のレンズ群が正のパワーを持ち、次に負のパワーを持つレンズ群が配置されていることが好ましい。これにより、テレフォトタイプの構成となり、撮像光学系１０１の小型化を図ることができる。
（ビネッティング（Vignetting）について）
　図１６は、一実施の形態に係る撮像光学系１０１において、ビネッティングがある場合の光学的位相変調子（ＢＭ１０）における中心光線の通過範囲と周辺光線の通過範囲との一例を示している。図１７は、一実施の形態に係る撮像光学系１０１において、ビネッティングがある場合の中心光線と周辺光線の一例を示している。
　図１７に示したように、撮像光学系１０１において、開口絞りＳｔ以外の絞りＳｔａがある場合、特に周辺光線に対してビネッティング（Vignetting）が生ずる。この場合、図１６に示したように、ＢＭ１０における周辺光線の通過範囲が中心光線の通過範囲に対して小さくなり、また、周辺光線の通過範囲が円対称ではなくなる。ＢＭ１０の効果を中心光線と周辺光線とに同様に与えるためには、周辺光線でビネッティングはない方が望ましい。ＢＭ１０の位相変調が円対称でなくなると、ＢＭ１０の本来の性能が発揮できなくなるためである。
　このため、開口絞りＳｔと撮像面Ｓｉpとの間には、開口絞りＳｔを通過した後に撮像面Ｓｉpの有効像円内に結像する光線を遮る構造物が存在しないことが望ましい。例えば、結像光学系２０に、開口絞りＳｔ以外のフレアやゴーストをカットするための絞り構造があったとしても、その絞り構造の径は、有効像円内に結像する光線が絞り構造を通過するときの光学有効径よりも十分大きいことが望ましい。
＜４．効果＞
　以上説明したように、一実施の形態に係る撮像光学系１０１および撮像装置によれば、所定の条件を満たしつつ、ＢＭ１０によって結像光学系２０に対して２つの瞳関数を与えるようにしたので、解像性能の低下を抑制しつつ被写界深度の拡張を行うことが可能となる。
　一実施の形態に係る撮像光学系１０１によれば、通常光学系１０２に比べ遜色のない解像性能で、最適な被写界深度拡張が可能となる。一実施の形態に係る撮像光学系１０１において、適切なゴーストの対策を行えば、コントラスト低下や、二重像などによる弊害を抑え、画質の向上が可能である。
　一実施の形態に係る撮像光学系１０１において、ＢＭ１０は複雑な凹凸構造は存在しないため、医療的信頼性、および製造性の高い深度拡大光学系を提供することができる。一実施の形態に係る撮像光学系１０１を医療系の撮像機器に用いることで、精度が高く、効率的な施術が可能になることが期待できる。
　なお、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。
＜５．数値実施例＞
　次に、本開示の一実施の形態に係る撮像光学系１０１の具体的な数値実施例について説明する。なお、以下では、一実施の形態に係る撮像光学系１０１の構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。
［各実施例に共通の構成］
　以下の実施例１～３に係る撮像光学系１～３はいずれも、物体側から撮像面Ｓｉp側に向かって順に、開口絞りＳｔと、ＢＭ１０と、結像光学系２０とを備えている。結像光学系２０と撮像面Ｓｉpとの間の光路上には、光学フィルタＦＬと、シールガラスＳＧとが配置されている。
　実施例１，２に係る撮像光学系１，２のそれぞれにおいて、ＢＭ１０は傾斜配置されている。実施例３に係る撮像光学系３では、ＢＭ１０は傾斜配置されていない。実施例１～３に係る撮像光学系１～３のそれぞれにおいて、ＢＭ１０は、第１同心円状パターン領域Ａ１と、第２同心円状パターン領域Ｂ１とを有する。
　実施例１～３に係る撮像光学系１～３のそれぞれにおいて、撮像面Ｓｉpには撮像素子１００が配置される。撮像素子１００による撮像画像には、画像処理部１１０（図６）において、逆変換フィルタを用いた画像処理が加えられる。
［実施例１］
　図１８は、実施例１に係る撮像光学系１におけるＢＭ１０の同心円状パターン領域と開口絞りＳｔの直径とを概略的に示している。図１９は、実施例１に係る撮像光学系１の全体構成を示している。
　実施例１に係る撮像光学系１において、結像光学系２０は、物体側から撮像面Ｓｉp側に向かって順に、第１レンズＧ１と、第２レンズＧ２と、第３レンズＧ３と、第４レンズＧ４と、第５レンズＧ５と、第６レンズＧ６とからなる。第１レンズＧ１と第２レンズＧ２は互いに接合されている。第４レンズＧ４と第５レンズＧ５は互いに接合されている。第１レンズＧ１および第２レンズＧ２からなる接合レンズは、正のパワーを持つレンズ群となっている。第３レンズＧ３は負のパワーを持つレンズ群となっている。
　［表１］に、実施例１に係る撮像光学系１の基本的なレンズデータを示す。［表１］において、「Ｓｉ」は物体側から数えてｉ番目の面を意味する面番号を示す。面番号には、面の属性を附記している。例えば「Ｇ１Ｒ１」は第１レンズＧ１の物体側のレンズ面、「Ｇ１Ｒ２」は第１レンズＧ１の撮像面Ｓｉp側のレンズ面であることを示す。同様に、「Ｇ２Ｒ１」は第２レンズＧ２の物体側のレンズ面、「Ｇ２Ｒ２」は第２レンズＧ２の撮像面Ｓｉp側のレンズ面であることを示す。他のレンズ面や光学面についても同様である。「ｒｉ」は物体側から数えてｉ番目の面の曲率半径を示す（単位：ｍｍ）。「ｒｉ」の値が「∞」となっている部分は、開口絞りＳｔ、平面、または仮想面を示す。「ｄｉ」は物体側から数えてｉ番目の面とｉ＋１番目の面との間の軸上面間隔を示す（単位：ｍｍ）。「ｎｄｉ」は物体側に第ｉ面を有する硝材または素材のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する屈折率を示す。「νｄｉ」は物体側に第ｉ面を有する硝材または素材のｄ線に対するアッベ数を示す。以降の他の実施例におけるレンズデータについても同様である。
　また、［表２］には、実施例１に係る撮像光学系１における、全系の焦点距離（ｆ）、開口絞りＳｔの絞り径（Ｄ）（図１８参照）、開放Ｆ値（Ｆｎｏ）、および像高（ＩＨ）の値を示す。また、［表２］には、光学的位相変調子（ＢＭ１０）の第１同心円状パターン領域Ａ１の半径（Ｒｉｎｇ１）（図１８参照）、第２同心円状パターン領域Ｂ１の半径（Ｒｉｎｇ２）（図１８参照）、およびリタデーション（Ｒｅ）の値を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　図２０は、実施例１に係る撮像光学系１のスルーフォーカスＭＴＦを示している。図２０には、ＢＭ１０が最も強く影響する空間周波数（１００（Ｌｐ／ｍｍ））に関するスルーフォーカスＭＴＦを示す。図２０には、実施例１に係る撮像光学系１のスルーフォーカスＭＴＦとして、画像処理を行わなかった場合（深度拡張あり（画像処理なし））の特性と、逆変換フィルタによる画像処理を行った場合（深度拡張あり（画像処理あり））の特性とを示す。また、図２０には、比較例として、ＢＭ１０を用いない光学系（深度拡張なし）のスルーフォーカスＭＴＦを示す。
　図２０に示したように、実施例１に係る撮像光学系１では、画像処理を行わなかった場合、ＢＭ１０を用いない光学系に比べて、スルーフォーカスＭＴＦのピークが大きく低下する。ただし、逆変換フィルタによって、ＢＭ１０を用いない光学系と同じ解像度に戻すための理想的なデコンボリューション処理を加えることで、スルーフォーカスＭＴＦのピークを、ＢＭ１０を用いない光学系と同等にまで戻すことができ、かつ、深度を大きく拡げることができている。
　図２１は、実施例１に係る撮像光学系１のピント位置におけるＭＴＦの周波数特性を示している。図２１には、実施例１に係る撮像光学系１のＭＴＦの周波数特性として、画像処理を行わなかった場合（深度拡張あり（画像処理なし））の特性を実線で示す。また、図２１には、比較例として、ＢＭ１０を用いない光学系（深度拡張なし）のＭＴＦの周波数特性を示す。また、図２１には、ＢＭ１０を用いない光学系と同じ解像度に戻すための理想的なデコンボリューション処理を加えるための逆変換フィルタの周波数特性を示す。以降の他の実施例におけるＭＴＦの周波数特性についても同様である。
　図２１に示したように、実施例１に係る撮像光学系１では、画像処理を行わなかった場合、ＢＭ１０を用いない光学系に比べて、ＭＴＦの周波数特性が低下する。ただし、逆変換フィルタによって、ＢＭ１０を用いない光学系と同じ解像度に戻すための理想的なデコンボリューション処理を加えることで、ＭＴＦの周波数特性を、実質的にＢＭ１０を用いない光学系と同等にまで戻すことができる。
［実施例２］
　図２２は、実施例２に係る撮像光学系２におけるＢＭ１０の同心円状パターン領域と開口絞りＳｔの直径とを概略的に示している。図２３は、実施例２に係る撮像光学系２の全体構成を示している。
　実施例２に係る撮像光学系２は、実施例１に係る撮像光学系１と略同じ構成となっているが、実施例１に係る撮像光学系１に対して開口絞りＳｔの絞り径（Ｄ）を変えている。実施例２に係る撮像光学系２は、開口絞りＳｔの絞り径を変えることで、深度拡張の効果が変化することを示している。
　［表３］に、実施例２に係る撮像光学系２の基本的なレンズデータを示す。また、［表４］には、実施例２に係る撮像光学系２における、全系の焦点距離（ｆ）、開口絞りＳｔの絞り径（Ｄ）（図２２参照）、開放Ｆ値（Ｆｎｏ）、および像高（ＩＨ）の値を示す。また、［表４］には、光学的位相変調子（ＢＭ１０）の第１同心円状パターン領域Ａ１の半径（Ｒｉｎｇ１）（図２２参照）、第２同心円状パターン領域Ｂ１の半径（Ｒｉｎｇ２）（図２２参照）、およびリタデーション（Ｒｅ）の値を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　図２４は、実施例２に係る撮像光学系２のスルーフォーカスＭＴＦを示している。図２４には、ＢＭ１０が最も強く影響する空間周波数（１００（Ｌｐ／ｍｍ））に関するスルーフォーカスＭＴＦを示す。図２４には、実施例２に係る撮像光学系２のスルーフォーカスＭＴＦとして、画像処理を行わなかった場合（深度拡張あり（画像処理なし））の特性と、逆変換フィルタによる画像処理を行った場合（深度拡張あり（画像処理あり））の特性とを示す。また、図２４には、比較例として、ＢＭ１０を用いない光学系（深度拡張なし）のスルーフォーカスＭＴＦを示す。図２４に示したように、実施例２に係る撮像光学系２では、画像処理を行わなかった場合、ＢＭ１０を用いない光学系に比べて、スルーフォーカスＭＴＦのピークが大きく低下する。ただし、逆変換フィルタによって、ＢＭ１０を用いない光学系と同じ解像度に戻すための理想的なデコンボリューション処理を加えることで、スルーフォーカスＭＴＦのピークを、ＢＭ１０を用いない光学系と同等にまで戻すことができ、かつ、深度を大きく拡げることができている。
　図２５は、実施例２に係る撮像光学系２のピント位置におけるＭＴＦの周波数特性を示している。図２５に示したように、実施例２に係る撮像光学系２では、画像処理を行わなかった場合、ＢＭ１０を用いない光学系に比べて、ＭＴＦの周波数特性が低下する。ただし、逆変換フィルタによって、ＢＭ１０を用いない光学系と同じ解像度に戻すための理想的なデコンボリューション処理を加えることで、ＭＴＦの周波数特性を、実質的にＢＭ１０を用いない光学系と同等にまで戻すことができる。
［実施例３］
　図２６は、実施例３に係る撮像光学系３における光学的位相変調子（ＢＭ１０）の同心円状パターン領域と開口絞りＳｔの直径とを概略的に示している。
　図２７は、実施例３に係る撮像光学系３の構成を示している。
　実施例３に係る撮像光学系３において、結像光学系２０は、物体側から撮像面Ｓｉp側に向かって順に、第１レンズＧ１と、第２レンズＧ２と、第３レンズＧ３と、第４レンズＧ４と、第５レンズＧ５とからなる。各レンズは単レンズとなっている。第１レンズＧ１は、正のパワーを持つレンズ群となっている。第２レンズＧ２は負のパワーを持つレンズ群となっている。
　［表５］に、実施例３に係る撮像光学系３の基本的なレンズデータを示す。また、［表６］には、実施例３に係る撮像光学系３における、全系の焦点距離（ｆ）、開口絞りＳｔの絞り径（Ｄ）（図２６参照）、開放Ｆ値（Ｆｎｏ）、および像高（ＩＨ）の値を示す。また、［表６］には、光学的位相変調子（ＢＭ１０）の第１同心円状パターン領域の半径（Ｒｉｎｇ１）（図２６参照）、第２同心円状パターン領域の半径（Ｒｉｎｇ２）（図２６参照）、およびリタデーション（Ｒｅ）の値を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　図２８は、実施例３に係る撮像光学系３のスルーフォーカスＭＴＦを示している。図２８には、ＢＭ１０が最も強く影響する空間周波数（４０（Ｌｐ／ｍｍ））に関するスルーフォーカスＭＴＦを示す。図２８には、実施例３に係る撮像光学系３のスルーフォーカスＭＴＦとして、画像処理を行わなかった場合（深度拡張あり（画像処理なし））の特性と、逆変換フィルタによる画像処理を行った場合（深度拡張あり（画像処理あり））の特性とを示す。また、図２８には、比較例として、ＢＭ１０を用いない光学系（深度拡張なし）のスルーフォーカスＭＴＦを示す。図２８に示したように、実施例３に係る撮像光学系３では、画像処理を行わなかった場合、ＢＭ１０を用いない光学系に比べて、スルーフォーカスＭＴＦのピークが大きく低下する。ただし、逆変換フィルタによって、ＢＭ１０を用いない光学系と同じ解像度に戻すための理想的なデコンボリューション処理を加えることで、スルーフォーカスＭＴＦのピークを、ＢＭ１０を用いない光学系と同等にまで戻すことができ、かつ、深度を大きく拡げることができている。
　図２９は、実施例３に係る撮像光学系３のピント位置におけるＭＴＦの周波数特性を示している。図２９に示したように、実施例３に係る撮像光学系３では、画像処理を行わなかった場合、ＢＭ１０を用いない光学系に比べて、ＭＴＦの周波数特性が低下する。ただし、逆変換フィルタによって、ＢＭ１０を用いない光学系と同じ解像度に戻すための理想的なデコンボリューション処理を加えることで、ＭＴＦの周波数特性を、実質的にＢＭ１０を用いない光学系と同等にまで戻すことができる。
［各実施例のその他の数値データ］
　［表７］には、上述の各条件式に関する値を、各実施例についてまとめたものを示す。［表７］から分かるように、実施例１，２については、各条件式を満たしている。実施例３については、条件式（４）以外は各条件式を満たしている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
＜６．その他の実施の形態＞
　本開示による技術は、上記実施の形態および実施例の説明に限定されず種々の変形実施が可能である。
　例えば、上記実施例において示した各部の形状および数値は、いずれも本技術を実施するための具体化のほんの一例に過ぎず、これらによって本技術の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならないものである。
　例えば、本技術は以下のような構成を取ることもできる。
　以下の構成の本技術によれば、所定の条件を満たしつつ、光学的位相変調子によって結像光学系に対して２つの瞳関数を与えるようにしたので、解像性能の低下を抑制しつつ被写界深度の拡張を行うことが可能となる。
［１］
　開口絞りと、
　撮像素子の撮像面に向けて像を結像させる結像光学系と、
　複屈折率を有する物質で構成され、前記結像光学系に対して２つの瞳関数を与える光学的位相変調子と
　を備え、
　以下の条件式を満足する
　撮像光学系。
　１≦（２×Ｌ×ｔａｎ（ｗ）＋Ｄ）／Ｄ＜１．４　……（１）
　λ／４＊０．７５＜Ｒｅ＜λ／４＊１．１　……（２）
ただし、
　Ｌ：前記開口絞りと光学的位相変調子との距離
　Ｄ：前記開口絞りの絞り径（直径）
　ｗ：前記開口絞りに入射する主光線の最大入射角
　λ：光の波長
　Ｒｅ：前記光学的位相変調子の複屈折による位相のリタデーション
とする。
［２］
　前記光学的位相変調子は、直交関係にある２つの偏光に、それぞれ異なる位相変調を与える
　上記［１］に記載の撮像光学系。
［３］
　前記結像光学系は、以下の条件式を満足する
　上記［１］または［２］に記載の撮像光学系。
　ｈ／ｆ２＜０．５０　……（３）
ただし、
　ｈ：前記撮像面における対角方向の最大像高
　ｆ２：前記結像光学系の前記開口絞りよりも撮像面側の光学系の焦点距離
とする。
［４］
　前記光学的位相変調子は、
　屈折力を持たない光学素子であり、
　光学素子基板と前記光学素子基板の表面上に形成された複屈折層とを有し、
　前記複屈折層は、位相変調を与えるための同心円状パターン領域を少なくとも２つ以上有し、隣り合う２つの前記同心円状パターン領域同士の複屈折の異方性の相対的角度が９０°である
　上記［１］ないし［３］のいずれか１つに記載の撮像光学系。
［５］
　前記光学的位相変調子は、
　屈折力を持たない光学素子であり、
　２つの光学素子基板と前記２つの光学素子基板の間に形成された複屈折層とを有し、
　前記複屈折層は、位相変調を与えるための同心円状パターン領域を少なくとも２つ以上有し、隣り合う２つの前記同心円状パターン領域同士の複屈折の異方性の相対的角度が９０°である
　上記［１］ないし［３］のいずれか１つに記載の撮像光学系。
［６］
　前記撮像素子による撮像画像には、点像分布関数から導かれたデコンボリューションを用いた画像処理が加えられる
　上記［１］ないし［５］のいずれか１つに記載の撮像光学系。
［７］
　前記光学的位相変調子は、以下の条件式を満足するように傾斜配置されている
　上記［１］ないし［６］のいずれか１つに記載の撮像光学系。
ただし、
　ｗ１：前記撮像面の短辺方向の像高に結像する光線の、前記開口絞りへの入射角度
　θ：前記光学的位相変調子の傾斜角
とする。
［８］
　前記光学的位相変調子は、前記光学的位相変調子よりも物体側に傾斜配置された光学素子に対して、傾斜方向が反対方向となるように傾斜配置されている
　上記［７］に記載の撮像光学系。
［９］
　前記光学的位相変調子は、前記結像光学系の被写界深度を拡張させる効果を有する
　上記［１］ないし［８］のいずれか１つに記載の撮像光学系。
［１０］
　前記開口絞りと前記撮像面との間には、前記開口絞りを通過した後に前記撮像面の有効像円内に結像する光線を遮る構造物が存在しない
　上記［１］ないし［９］のいずれか１つに記載の撮像光学系。
［１１］
　前記結像光学系は、前記開口絞りよりも撮像面側において、最も物体側から順に、正のパワーを持つレンズ群と、負のパワーを持つレンズ群とを有する
　上記［１］ないし［１０］のいずれか１つに記載の撮像光学系。
［１２］
　以下の条件式を満足する
　上記［１］ないし［１１］のいずれか１つに記載の撮像光学系。
　Ｌ＿ａｌｌ／ｆ２＜２．５　……（５）
ただし、
　Ｌ＿ａｌｌ：前記開口絞りより撮像面側の光学系において、最も物体側に配置されたパワーのあるレンズの物体側の面から撮像面までの距離
　ｆ２：開口絞りより撮像面側の光学系の焦点距離
とする。
［１３］
　アフォーカル光学系による像を撮像するための光学系として構成されている
　上記［１］ないし［１２］のいずれか１つに記載の撮像光学系。
［１４］
　手術顕微鏡を介して患部を撮像するための光学系として構成されている
　上記［１］ないし［１３］のいずれか１つに記載の撮像光学系。
［１５］
　硬性内視鏡のカメラヘッド用の光学系として構成されている
　上記［１］ないし［１３］のいずれか１つに記載の撮像光学系。
［１６］
　ファイバースコープを用いた内視鏡のカメラヘッド用の光学系として構成されている
　上記［１］ないし［１３］のいずれか１つに記載の撮像光学系。
［１７］
　撮像光学系と、
　前記撮像光学系による結像位置に配置された撮像素子と
　を含み、
　前記撮像光学系は、
　開口絞りと、
　前記撮像素子の撮像面に向けて像を結像させる結像光学系と、
　複屈折率を有する物質で構成され、前記結像光学系に対して２つの瞳関数を与える光学的位相変調子と
　を備え、
　以下の条件式を満足する
　撮像装置。
　１≦（２×Ｌ×ｔａｎ（ｗ）＋Ｄ）／Ｄ＜１．４　……（１）
　λ／４＊０．７５＜Ｒｅ＜λ／４＊１．１　……（２）
ただし、
　Ｌ：前記開口絞りと光学的位相変調子との距離
　Ｄ：前記開口絞りの絞り径（直径）
　ｗ：前記開口絞りに入射する主光線の最大入射角
　λ：光の波長
　Ｒｅ：前記光学的位相変調子の複屈折による位相のリタデーション
とする。
［１８］
　前記撮像素子による撮像画像に対して、点像分布関数から導かれたデコンボリューションを用いた画像処理を行う画像処理部、をさらに備える
　上記［１７］に記載の撮像装置。
　本出願は、日本国特許庁において２０１９年９月２５日に出願された日本特許出願番号第２０１９－１７４２００号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願のすべての内容を参照によって本出願に援用する。
　当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、および変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。

Claims (18)

  1. 　開口絞りと、
    　撮像素子の撮像面に向けて像を結像させる結像光学系と、
    　複屈折率を有する物質で構成され、前記結像光学系に対して２つの瞳関数を与える光学的位相変調子と
    　を備え、
    　以下の条件式を満足する
    　撮像光学系。
    　１≦（２×Ｌ×ｔａｎ（ｗ）＋Ｄ）／Ｄ＜１．４　……（１）
    　λ／４＊０．７５＜Ｒｅ＜λ／４＊１．１　……（２）
    ただし、
    　Ｌ：前記開口絞りと光学的位相変調子との距離
    　Ｄ：前記開口絞りの絞り径（直径）
    　ｗ：前記開口絞りに入射する主光線の最大入射角
    　λ：光の波長
    　Ｒｅ：前記光学的位相変調子の複屈折による位相のリタデーション
    とする。
  2. 　前記光学的位相変調子は、直交関係にある２つの偏光に、それぞれ異なる位相変調を与える
    　請求項１に記載の撮像光学系。
  3. 　前記結像光学系は、以下の条件式を満足する
    　請求項１に記載の撮像光学系。
    　ｈ／ｆ２＜０．５０　……（３）
    ただし、
    　ｈ：前記撮像面における対角方向の最大像高
    　ｆ２：前記結像光学系の前記開口絞りよりも撮像面側の光学系の焦点距離
    とする。
  4. 　前記光学的位相変調子は、
    　屈折力を持たない光学素子であり、
    　光学素子基板と前記光学素子基板の表面上に形成された複屈折層とを有し、
    　前記複屈折層は、位相変調を与えるための同心円状パターン領域を少なくとも２つ以上有し、隣り合う２つの前記同心円状パターン領域同士の複屈折の異方性の相対的角度が９０°である
    　請求項１に記載の撮像光学系。
  5. 　前記光学的位相変調子は、
    　屈折力を持たない光学素子であり、
    　２つの光学素子基板と前記２つの光学素子基板の間に形成された複屈折層とを有し、
    　前記複屈折層は、位相変調を与えるための同心円状パターン領域を少なくとも２つ以上有し、隣り合う２つの前記同心円状パターン領域同士の複屈折の異方性の相対的角度が９０°である
    　請求項１に記載の撮像光学系。
  6. 　前記撮像素子による撮像画像には、点像分布関数から導かれたデコンボリューションを用いた画像処理が加えられる
    　請求項１に記載の撮像光学系。
  7. 　前記光学的位相変調子は、以下の条件式を満足するように傾斜配置されている
    　請求項１に記載の撮像光学系。
    　１＜θ／ｗ１＜２　……（４）
    ただし、
    　ｗ１：前記撮像面の短辺方向の像高に結像する光線の、前記開口絞りへの入射角度
    　θ：前記光学的位相変調子の傾斜角
    とする。
  8. 　前記光学的位相変調子は、前記光学的位相変調子よりも物体側に傾斜配置された光学素子に対して、傾斜方向が反対方向となるように傾斜配置されている
    　請求項７に記載の撮像光学系。
  9. 　前記光学的位相変調子は、前記結像光学系の被写界深度を拡張させる効果を有する
    　請求項１に記載の撮像光学系。
  10. 　前記開口絞りと前記撮像面との間には、前記開口絞りを通過した後に前記撮像面の有効像円内に結像する光線を遮る構造物が存在しない
    　請求項１に記載の撮像光学系。
  11. 　前記結像光学系は、前記開口絞りよりも撮像面側において、最も物体側から順に、正のパワーを持つレンズ群と、負のパワーを持つレンズ群とを有する
    　請求項１に記載の撮像光学系。
  12. 　以下の条件式を満足する
    　請求項１に記載の撮像光学系。
    　Ｌ＿ａｌｌ／ｆ２＜２．５　……（５）
    ただし、
    　Ｌ＿ａｌｌ：前記開口絞りより撮像面側の光学系において、最も物体側に配置されたパワーのあるレンズの物体側の面から撮像面までの距離
    　ｆ２：開口絞りより撮像面側の光学系の焦点距離
    とする。
  13. 　アフォーカル光学系による像を撮像するための光学系として構成されている
    　請求項１に記載の撮像光学系。
  14. 　手術顕微鏡を介して患部を撮像するための光学系として構成されている
    　請求項１に記載の撮像光学系。
  15. 　硬性内視鏡のカメラヘッド用の光学系として構成されている
    　請求項１に記載の撮像光学系。
  16. 　ファイバースコープを用いた内視鏡のカメラヘッド用の光学系として構成されている
    　請求項１に記載の撮像光学系。
  17. 　撮像光学系と、
    　前記撮像光学系による結像位置に配置された撮像素子と
    　を含み、
    　前記撮像光学系は、
    　開口絞りと、
    　前記撮像素子の撮像面に向けて像を結像させる結像光学系と、
    　複屈折率を有する物質で構成され、前記結像光学系に対して２つの瞳関数を与える光学的位相変調子と
    　を備え、
    　以下の条件式を満足する
    　撮像装置。
    　１≦（２×Ｌ×ｔａｎ（ｗ）＋Ｄ）／Ｄ＜１．４　……（１）
    　λ／４＊０．７５＜Ｒｅ＜λ／４＊１．１　……（２）
    ただし、
    　Ｌ：前記開口絞りと光学的位相変調子との距離
    　Ｄ：前記開口絞りの絞り径（直径）
    　ｗ：前記開口絞りに入射する主光線の最大入射角
    　λ：光の波長
    　Ｒｅ：前記光学的位相変調子の複屈折による位相のリタデーション
    とする。
  18. 　前記撮像素子による撮像画像に対して、点像分布関数から導かれたデコンボリューションを用いた画像処理を行う画像処理部、をさらに備える
    　請求項１７に記載の撮像装置。
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