(57)【要約】【課題】本発明の課題は、従来技術のように特殊な画像処理技術を用いることなく、新しい特殊なレンズを用いるだけで遠くから近くまでの連続領域全体にピントのあう画像を撮影する技術を提供することにある。【解決手段】本発明の被写界深度を湾曲させたレンズは、像面湾曲を逆補正や過補正することにより、被写界深度の形状を極度に湾曲させるようにした。また、本発明の全焦点画像を撮影する光学装置は、上記の極度に湾曲した被写界深度をもつレンズを用いることにより、湾曲と合致する物体の表面をピントのあった画像として撮影できるものとした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
像面湾曲を逆補正又は過補正することにより、被写界深度の形状を極度に湾曲させるようにした被写界深度を湾曲させたレンズ。
【請求項２】
請求項１に記載の極度に湾曲した被写界深度をもつレンズを用いて、湾曲特性と合致する物体の表面の全焦点画像を撮影する光学装置。
【請求項３】
請求項２に記載の光学装置を用い、円筒状物の内面を全焦点画像として撮影する撮影方法。
【請求項４】
請求項２に記載の光学装置を用い、壁面を端部スリット開口部から幅方向に走査しながら複数画像を撮影し、部分幅画像を合成することにより壁面を全焦点画像として取得する撮影方法。
【請求項５】
請求項２に記載の光学装置を用い、近接位置から微細な塊状物体の表面の全域にピントのあった画像を取得する撮影方法。
【請求項６】
請求項２に記載の光学装置を用い、画面中央若しくは環状領域にピントを合わせて撮影する芸術写真撮影方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被写界深度を湾曲させた特殊レンズ及びそのレンズ特性を利用した特殊撮影方法に関する。
すなわち、本発明は特殊な効果を持つレンズの発明であって、単レンズの組合せを工夫することで、特殊な効果のある画像が撮影できるようになる。このレンズの特殊効果は、単レンズの組合せにより発揮されるので、レンズの大きさや形状が通常のものと異ならない。レンズの取替えで汎用のカメラに装着し使用できる利用もある。
【背景技術】
【０００２】
物体の１点から出たあらゆる光線はレンズを通過した後、像面の１点に集まるというのがレンズの理想特性である。しかし、物体の１点から出た個々の光線は、レンズの表面でスネルの法則に従った屈折を生じて進むが、像面ではある範囲に散らばってしまうという現象を起す。レンズにはこのように像がぼける現象がつきまとうのであるが、そのほかにも、レンズには物体と像の形が相似形にならない現象と、色がにじむ現象が認められる。これらの現象を総称して、収差と呼んでいる。収差には球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲、歪曲収差の他、色（光の波長）によって結像位置がずれる軸上色収差、色（光の波長）によって倍率が異なる倍率色収差がある。球面収差とは光軸上で光線が１点に集まらない現象であり、コマ収差とは光軸外で、点像が尾を引く現象、非点収差とは同心円像と放射線像の結像点が一致しない現象、像面湾曲とは像面が平坦でない現象、そして、歪曲収差(ディストーション)とは物体と像が相似形にならない現象を指す。この収差という現象は光学の分野では一般に厄介な問題として認識され、光学系においてこの収差を如何にして補正するかに心血が注がれてきた。
【０００３】
レンズは、レンズ面に入る光線を一点に集める作用があり、撮像面に光を集光する性質を持っていることから、この位置にＣＣＤやフィルムを配置して結像を撮像する。空間中の全ての位置の光が撮像面に集光できるのではなく、集光できる光の位置はレンズからの距離で決まっている。一点に集光できた場合、ぼけのないピントのあった画像が撮影できるわけであるが、集光できない場合は、ピントがぼけた画像になる（図１２参照）。点Ｐは、実線の光路を通り撮像面で集光する（合焦の状態）。他方点Ｑは、破線の光路を通り撮像面では集光しないためピンぼけの状態となる。空間中でピントのあう領域は、被写界深度（図１１参照）と呼ばれているが、この被写界深度は、レンズのピント調節機構により位置をかえることができる。また、被写界深度は、図１０に示されるように撮像面に平行に分布しており、レンズ面に近いほど間隔が狭く、レンズ面から離れるほど広くなる特性を持っている。
【０００４】
図１１において、点Ｐの位置は、撮像面でちょうど結像する。点Ｏ、Ｑは、撮像面で結像せずぼけているが、ぼけの大きさが許容範囲内（ＣＣＤの１セル以下）である。したがって、点Ｏから点Ｑの区間は、ピンぼけの影響の感知できない領域となり、この区間を被写界深度と呼ぶ。撮影においてピントを合わせるとは、物体が被写界深度内になるように、ピント調節機構を変動させレンズの特性を変えることを意味する。ところが撮影したい物体に相当の奥行きがある場合、物体が被写界深度内からはみ出てしまうこととなるため、物体の遠く（近く）にある部分のピントがぼけてしまうことである。特に、物体が近くにある場合は、被写界深度が狭く分布することになるので、この傾向が強くなる。図１０に示すように、レンズから遠いほど、被写界深度は広くなり、レンズに近いほど、被写界深度は狭くなる。物体が近くにあるほど、物体全体にピントを合わせることが困難になる。また、遠くから近くまでピントを合わせることも困難である。物体Ａは全体にピントが合うが、物体Ｂの全体にピントが合うことはない。
【０００５】
ところで、手前から奥まで相当の奥行きを持って分布する全ての被写体にピントがあった画像が欲しいというニーズがあり、これに応えるべく、非特許文献１には、遠くから近くまでの物体全てにピントのあう画像を作成する「全焦点画像」の技術が提案されている。これはピントを変えながら複数枚の画像を撮影し、最もピントの合っている部分を切り出し合成し、１枚の画像を形成する画像処理に基づいた技術である。また、特許文献１には、ピントを変えながら複数枚の画像を撮影するのではなく、特殊な多重フォーカスカメラを用い全合焦画像を合成する方法等が提案されている。
【特許文献１】特許公開平１０−２０６１５０号公報  「多重フォーカス測距装置」  １９９８年８月７日 公開
【特許文献２】特開２００１−２６９３０６号公報  「内視鏡装置」  平成１３年１０月２日公開
【非特許文献１】K. Ohba etal,”Real-Time VR Camera System”,Proc. of the Fourth Asian Conference on Computer Vision, pp. 503-513
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、従来技術のように特殊な画像処理技術を用いることなく、新しい特殊なレンズを用いるだけで遠くから近くまでの連続領域全体にピントのあう画像を撮影する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記の課題を解決する手段として像面湾曲の現象に着目した。像面湾曲とは前述したように像面が平坦とならない現象である。この現象はレンズの後方の平面に結像される前方物体の位置はどの様に分布されているかを見れば光軸を中心とした放物面に近い曲面上の位置となる。言い換えれば被写体が上記の光軸を中心とした放物面に近い曲面であるならば、レンズから所定の距離の平面上に放物面に近い曲面の被写体が結像されることとなる。この現象を逆に利用すればレンズからの距離が異なる物体をレンズ後方の平面に結像させることが可能となるとの着想である。従来、収差は補正することにのみ努力が払われてきたのであるが、特許文献２には像面湾曲特性を逆に利用し、被観察体の凹凸等の形状に対応してピント合わせを行うことにより、凹凸形状の高低情報を得る技術が開示されている。この技術は電子スコープの先端部に、第２レンズＬ2 及び第３レンズＬ3 の可動レンズを有する対物レンズ群を設け、この可動レンズの移動により変倍をすると共に像面湾曲特性を変化させる。そして、マイコンは上記第２レンズＬ2及び第３レンズＬ3 の移動位置をそれぞれのエンコーダから入力し、現在の発生像面湾曲量と拡大率から画像中心部と周辺部の高低差を求め、この高低差情報をモニタ上に表示する。この高低差情報は、例えば高低値を入れた断面形状や等高線であり、被観察体の凹凸像に重ねて表示するというものである。
【０００８】
本発明の被写界深度を極度に湾曲させたレンズは、像面湾曲を逆補正や過補正することにより、被写界深度の形状を極度に湾曲させるようにした。なお、本明細書中で用いる「極度に湾曲」との表現は通常のレンズの湾曲収差の程度を越える湾曲であることを意味する。
本発明の全焦点画像を撮影する光学装置は、上記の極度に湾曲した被写界深度をもつレンズを用いることにより、湾曲と合致する物体の表面をピントのあった画像として撮影できるものとした。
本発明の全焦点画像として撮影する撮影方法は、上記の光学装置を用い、円筒状物の内面を広領域にわたりピントのあった画像として撮影できる手法を提示した。
本発明の全焦点画像として撮影する他の撮影方法は、上記の光学装置を用い、壁面を端部スリット開口部から幅方向に走査しながら複数画像を撮影し、部分幅画像を合成することにより壁面を全焦点画像として取得する手法を提示した。
更に、本発明の全焦点画像として撮影する他の撮影方法は、上記の光学装置を用い、近接位置から微小な塊状物体の表面の全域にピントのあった画像を取得する撮影する手法を提示した。
そして、本発明の光学装置を利用して、画面中央若しくは環状領域にピントを合わせて撮影する芸術写真撮影方法を提示した。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の被写界深度を湾曲させたレンズは、像面湾曲を逆補正や過補正することにより、被写界深度の形状を極度に湾曲させるようにしただけの構成であるから、特殊なレンズといっても、重量や、形状、取り扱いは従来のレンズと変わることなく、遠くから近くまでの連続領域全体にピントのあう光学系を実現することができる。
また、本発明の全焦点画像を撮影する光学装置は、ピントの異なる画像の撮影や高度な画像処理が必要であり、処理装置や処理時間が必要でシステムが大規模になる従来技術に比べ、上記の湾曲した被写界深度をもつレンズを用いるだけのことにより、撮像系がシンプルで、複雑な装置や、処理や計算が必要でなく、運用が容易であるメリットがある。画像処理を用いる従来方法に比べると、適用できる物体の形状が限定されてしまうので、本発明は汎用性に乏しいという限界があるが、定常的に同じ場面の撮影が要求される運用（同一物の検査、ファクトリオートメーション）などでの利用では、経済的でメンテナンスフリーのシステムを安価に提供できる。
また、本発明の全焦点画像を撮影する光学装置を用いて、湾曲と合致する物体の表面をピントのあった画像として撮影できるものであるから、例えば、パイプや狭いトンネルの内壁といった円筒状物の内面を広領域にわたりピントのあった画像として撮影できるし、あるいは腸や血管内の内視鏡観察用として効果が期待できる。また、正面画像が撮影できない壁面を端部スリット開口部から幅方向に走査しながら複数画像を撮影し、部分幅画像を合成することにより壁面を全焦点画像として取得することも出来る。更には、近接位置から微小な塊状物体の表面全てにピントを合わせて観測することも可能である。そして、画面中央若しくは環状領域にピントを合わせて撮影する芸術写真撮影も可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態を提示する前に本発明の基礎技術を少し説明しておくこととする。レンズの改善すべき問題とされている収差の一つに像面湾曲がある。これは、合焦位置が撮像面に乗らないで湾曲してしまう問題である。因みに図９に示すようにレンズでは、一平面の合焦位置が撮像面に一致せず湾曲してしまう収差が発生する。そのような像面湾曲を持つレンズで撮影した画像では、画像の中心と画像の外縁で被写界深度が異なるという問題があり、像面湾曲のあるレンズは、画像の中央部にピントを合わせると、周辺部がぼけてしまうという現象が生じ一般には困った問題として嫌われている。通常は、この像面湾曲を補正するように単レンズを組合せ光学設計（レンズ設計）を行うのであるが、本発明では、本来補正されるべき像面湾曲収差を逆に利用することに想到した。像面湾曲を補正しない場合、一平面にピントのあう空間中の物体位置を逆に特定すると図１Ａに示すように湾曲することがわかる。像面湾曲のあるレンズでは、撮像面で合焦する空間の位置が、中心位置（破線で示す光路）と周辺部（一点鎖線の光路）で異る。像面湾曲収差は、物体が遠くにある場合に影響が小さく、物体が近い場合に影響が大きい。これは、図１０のように、近いほど被写界深度がせまくなるためである。
本発明のアイデアは、この現象を構造的に捉え直し、さらに像面湾曲を強く発生させ、特殊効果として利用することにある。すなわち、問題点を逆手にとってその現象を利用してしまおうという逆転の発想である。図１Ｂに示されるように像面湾曲を強調した場合の空間中の（さらに湾曲する）合焦位置、この場合、空間中に特殊な合焦位置が形成される。結果として、通常の設計とは逆に、図１Ｃに示すように被写界深度が極端に湾曲した状態のレンズを提案するようにした。像面湾曲の強いレンズでは、被写界深度も極端に湾曲する。そして湾曲した被写界深度と一致する物体は、ピンぼけのない画像が撮影できる。
【００１１】
上記は、像面湾曲を強調させるアイデアである。その発展形として、本発明では逆に像面湾曲を過度に補正するアイデアも提案する。その特性は図２に示すように一平面にピントのあう空間中の物体位置を特定すると逆向きに湾曲することがわかる。この場合は、出っ張った物体の表面全体にピントがあう物体の撮影が可能となる。
【００１２】
像面湾曲を強調するための具体的な光学設計について説明する。光学設計では、１枚の単レンズにより、前後２つの面の曲率とレンズの材質に依存する屈折率の合わせて、３通りの設計の自由度がある。２枚のレンズを用いる場合では、６通りになる。一般的には、レンズは複数枚の単レンズを組合せて構成されている。設計者は、要求される性能（画角等）を、収差（像面湾曲等）を抑えるように、設計の自由度を割り振りながら設計する。レンズ同士の相互の兼ね合いもあり、目的の性能だけをコントロールすることは難しい。それは像面湾曲だけを強調すると、他の収差が大きくなるといった現象を伴うことがあるからである。まず、像面湾曲だけを強調したレンズが成立するかということが問題になる。この問題についてはなし得ない可能性も想定されたが、これは、実際の光学設計により成立することが確認できた。
【実施例】
【００１３】
直径50ｍｍのパイプの内壁全てにピントを合わせ撮影することができるレンズ設計を紹介する。像面湾曲を強調して、提案する効果が光路追跡により確認されたレンズの性能を以下に示す。像高、ＷＤ(被写体距離)、θ(入射角)の関係は、表１に示す通りであり、ピントの合う被写体距離は図３Ａに示す光路で結像面（ＣＣＤ）集光し、図３Ｂに示す同心円位置となる。
【表１】
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この光学系の対応波長は（λ＝450〜620ｎｍ）、焦点距離は6.72ｍｍ、結像面（ＣＣＤサイズ）１／２型(対角８ｍｍ)、Ｆナンバー2.8、画角は62°、入射瞳位置はＧ１前面から９ｍｍ内側、ディストーションは1.6％、周辺光量63％、像面湾曲量は1.9ｍｍで、８枚のレンズ仕様は表２に示すとおりである。表中STOは絞り面(Stop Surface)である。
【表２】
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また、この光学設計図の一部を図４に示し、鏡筒設計の一部を図５に示す。図５において１)はＧ１環、２)は稼動筒、３)はＧ２Ｇ３間隔環、４)はカム設置環、５)はカム駆動環、６)はヘリコイドカム、７)は滑動環、８)はカムフォロア、９)は絞り調整つまみ、10)は絞り調整環、11)は鏡筒本体、12)は右鏡筒、13)はＧ７Ｇ８間隔環、14)はＧ８押え、15)はＣマウント、そして18)は絞りである。
【００１４】
上記の設計のレンズ光学系を備えた光学機器で直径50ｍｍのパイプの内壁全域を一平面上に結像させて１枚の画像として撮影することができる。円筒内面は光学軸に対象の構造であるから、内面の全周囲を撮像することできる。円筒内面であっても直径の寸法に応じて湾曲形状は異なってくるものであるから、直径寸法によってレンズ設計は異なってくる。また、このレンズは、直径50ｍｍのパイプ内壁に合焦するように設計されているが、被写界深度に幅があるので、パイプ径が多少変わっても対応できる。また、レンズ群を前後に移動させるピント調節も可能である。
【００１５】
上記の実施例は光学軸に対象の構造である円筒内面を全周囲で撮像するものであるが、本発明に係る像面湾曲を利用し被写界深度を湾曲させたレンズを用いた光学装置は正面からの撮影が困難な場合における側方位置からの撮影に応用することができる。例えば図６に示すような古墳石室のような閉鎖空間であって内部を観察する開口がスリット状の間隙しかないような場合、対向する壁面Ｂは通常のカメラで正面方向からの撮影が可能であるが、側壁面Ａの撮影は不可能である。本発明の被写界深度を湾曲させたレンズを用いた光学装置であれば、近距離位置から遠距離方向に延在する被写体を１枚の撮像面に結像させることができるため、次のような手法によって側壁面Ａの平面画像の取得が可能となる。この場合被写体は円筒内面ではない一平面であるので、光学軸の全方位に異方性無くその画像を取得することはできない。図７Ａに示すようにスリット状の間隙に本発明に係る被写体深度を湾曲させた光学装置(カメラ)を据え、撮像する。この場合、図７Ｂに示すように撮像画面において光学軸に平行する対象平面の部分映像のみをピントのあった画像として得ることが可能である。カメラをスリット状の間隙にそって上下に移動させながら撮像した複数の画像からピントのあった部分映像を切り出して合成することにより、図７Ｃに示すように側壁面Ａの画像を得ることができる。
【００１６】
微細な物体を観察する場合には、近接した状態で物体を観察することになる。この場合、非常に近接した位置が対象となるために、被写界深度の幅が極めて小さく、物体全体に焦点のあった画像の撮影が困難となる。図８Ａのように、観測物が塊状物体である場合には、物体上部と物体下部の同時にピントをあわせることが難しい。一般的な全焦点画像の技術もこういう状況を対象としていることが多い。像面湾曲を過補正したレンズでは、図８Ｂのように、被写界領域が、塊状物体の表面に沿うようになるので、近接位置からの撮影において微細な塊状物体の全ての表面にピントを合わすことが可能となる。顕微鏡を用いた実験や観察作業を効率よく行うことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
本発明に係るレンズの特殊効果とは、ピントのあう領域（被写界深度）が、湾曲している点である。湾曲した被写界深度に一致するような物体や風景を撮影する場合に、画像全域でピントの合う利点がある。具体例として、前述したパイプの内壁検査の際に画像を撮影する場合の他長い回廊の撮影などに、近くから遠くまでピンぼけのない画像を１回の撮影で取得できるようになる。
直接的な技術分野はレンズ（光学機器）であるが、画像撮影としての応用分野は芸術分野を含め広い。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】像面湾曲を強調した本発明の原理を説明する図である。
【図２】像面湾曲を過度に補正させた本発明の光学特性を説明する図である。
【図３】本発明の１実施例でパイプ内面を撮像したときの光路とピントの合う被写体距離を示す図である。
【図４】上記実施例のレンズの光学設計図である。
【図５】上記実施例のレンズ鏡筒の光学設計図である。
【図６】被撮像対象となる古墳石室イメージ。
【図７】側壁面を像面湾曲を強調した本発明装置で撮像する手法を説明する図である。
【図８】微細な塊状物体を近接観察するために、像面湾曲を過度に補正させた本発明装置で撮像する手法を説明する図である。
【図９】像面湾曲の問題を説明する図である。
【図１０】被写体深度の分布を説明する図である。
【図１１】被写体深度の原理を説明する図である。
【図１２】レンズの結像形態を説明する図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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