(57)【要約】【課題】良好な画像形成の性能を有しつつ、増加された被写界深度をも有する電気光学画像形成システムを提供する。【解決手段】電気光学画像形成システムは、収差トリプレットレンズ、検出器サブシステム及びデジタル画像処理サブシステムを含む。トリプレットレンズは、全ての収差について完全に補正されず（典型的に、著しい球面収差に苦しむ）、デジタル画像処理サブシステムは、トリプレットレンズにおける欠損を補償する。【選択図】図１
2010011462.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的な空間周波数応答特性（ＭＴＦ）により特徴付けられる回転対称トリプレットレンズと、
前記トリプレットレンズにより形成される画像を捕捉するために位置される検出器サブシステムであって、該検出器サブシステムのナイキスト周波数を定義する検出器のアレイを有する検出器サブシステムと、前記光学的ＭＴＦは、前記ナイキスト周波数の０．２０倍と１．００倍の間の全ての周波数について、及び名目の画像平面の何れかの側での少なくとも１つの波のピンぼけを通して全ての画像平面の位置について、０．１から０．７５までの値をとり、
前記検出器サブシステムに結合されるデジタル画像処理サブシステムであって、前記検出器サブシステムにより捕捉される画像における少なくとも幾つかの画素について、前記ナイキスト周波数の０．２０倍と０．８０倍の間の少なくとも幾つかの周波数に対して少なくとも１．３の正規化されたゲインを与えるデジタル画像処理サブシステムと、
を有することを特徴とする電気光学画像形成システム。
【請求項２】
前記光学的ＭＴＦは、前記ナイキスト周波数の０．２０倍と１．００倍の間の全ての周波数について、及び前記名目の画像平面の何れかの側での１波のピンぼけにおける全ての画像平面の位置について、０．１から０．５０までの値をとる、
請求項１記載の電気光学画像形成システム。
【請求項３】
前記光学的ＭＴＦは、前記ナイキスト周波数の０．２０倍と１．００倍の間の全ての周波数について、及び前記名目の画像平面の何れかの側での１．５波のピンぼけにおける全ての画像平面の位置について、０．１から０．５０までの値をとる、
請求項１記載の電気光学画像形成システム。
【請求項４】
前記光学的ＭＴＦは、前記ナイキスト周波数の０．３０倍と１．００倍の間の全ての周波数について、及び前記名目の画像平面の何れかの側での０．５波のピンぼけにおける全ての画像平面の位置について、０．１から０．５０までの値をとる、
請求項１記載の電気光学画像形成システム。
【請求項５】
当該電気光学画像形成システムは、前記ナイキスト周波数の０．２倍から０．４倍の範囲における全ての周波数について、０．８と１．１の間の値をとるシステムＭＴＦを有する、
請求項１記載の電気光学画像形成システム。
【請求項６】
当該電気光学画像形成システムは、前記ナイキスト周波数の０．４倍から０．７倍の範囲における全ての周波数について、０．６と０．９の間の値をとるシステムＭＴＦを有する、
請求項１記載の電気光学画像形成システム。
【請求項７】
当該電気光学画像形成システムは、前記ナイキスト周波数の０．７倍から０．９倍の範囲における全ての周波数について、０．４と０．８の間の値をとるシステムＭＴＦを有する、
請求項１記載の電気光学画像形成システム。
【請求項８】
前記トリプレットレンズは、少なくとも２波の球面収差を有し、前記検出器サブシステムは、少なくとも３のオーバサンプリングファクタを有する、
請求項１記載の電気光学画像形成システム。
【請求項９】
前記トリプレットレンズは、少なくとも４波である球面収差を有し、前記検出器サブシステムは、少なくとも５であるオーバサンプリングファクタを有する、
請求項１記載の電気光学画像形成システム。
【請求項１０】
前記トリプレットレンズは、少なくとも６波である球面収差を有し、前記検出器サブシステムは、少なくとも６であるオーバサンプリングファクタを有する、
請求項１記載の電気光学画像形成システム。
【請求項１１】
前記回転対称トリプレットレンズは、
第一の回転対称な負レンズ素子と、
第二の回転対称な正レンズ素子と、
第三の回転対称な負レンズ素子と、
を有する請求項１記載の電気光学画像形成システム。
【請求項１２】
当該電気光学画像形成システムは、少なくとも３０°の全視野を有する、
請求項１記載の電気光学画像形成システム。
【請求項１３】
当該電気光学画像形成システムは、少なくとも２０°の全視野を有する、
請求項１記載の電気光学画像形成システム。
【請求項１４】
当該電気光学画像形成システムは、少なくとも１５°の全視野を有する、
請求項１記載の電気光学画像形成システム。
【請求項１５】
当該電気光学画像形成システムは、Ｆ／５又はＦ／５よりも高速なＦ／＃を有する、
請求項１記載の電気光学画像形成システム。
【請求項１６】
当該電気光学画像形成システムは、少なくとも３００ｎｍのスペクトル帯域幅を有する、
請求項１記載の電気光学画像形成システム。
【請求項１７】
前記デジタル画像処理サブシステムは、前記検出器サブシステムにより捕捉された画像における少なくとも幾つかの画素に非線形フィルタリングを施す、
請求項１記載の電気光学画像形成システム。
【請求項１８】
前記デジタル画像処理サブシステムは、前記検出器サブシステムにより捕捉された画像における少なくとも幾つかの画素に回転対称なフィルタリングを施す、
請求項１記載の電気光学画像形成システム。
【請求項１９】
前記デジタル画像処理サブシステムは、前記検出器サブシステムにより捕捉された画像における少なくとも幾つかの画素に回転非対称なフィルタリングを施す、
請求項１記載の電気光学画像処理システム。
【請求項２０】
前記デジタル画像処理サブシステムは、前記検出器サブシステムにより捕捉された画像における少なくとも幾つかの画素にバンドパスフィルタリングを施す、
請求項１記載の電気光学画像処理システム。
【請求項２１】
前記デジタル画像処理サブシステムは、前記検出器サブシステムにより捕捉された画像における少なくとも幾つかの画素にハイパスフィルタリングを施す、
請求項１記載の電気光学画像処理システム。
【請求項２２】
光学的な空間周波数応答特性（ＭＴＦ）により特徴付けられる回転対称トリプレットレンズと、
前記トリプレットレンズにより形成される画像を捕捉するために位置される検出器サブシステムであって、該検出器サブシステムのナイキスト周波数を定義する検出器のアレイを有する検出器サブシステムと、前記光学的ＭＴＦは、前記ナイキスト周波数の０．２０倍と１．００倍の間の全ての周波数について、及び名目の画像平面の何れかの側での少なくとも１つの波のピンぼけを通して全ての画像平面の位置について、０．１から０．７５までの値をとり、
前記検出器サブシステムに結合されるデジタル画像処理サブシステムであって、前記検出器サブシステムにより捕捉される画像における少なくとも幾つかの画素について、前記ナイキスト周波数の０．２０倍と０．８０倍の間の少なくとも幾つかの周波数に対して少なくとも１．３の正規化されたゲインを与えるデジタル画像処理サブシステムとを有し、
前記トリプレットレンズが、二乗平均（ＲＭＳ）スポットサイズを最小にする後側焦点距離で前記ＲＭＳスポットサイズよりも少なくとも２０％大きいＲＭＳスポットサイズを有するように、前記検出器サブシステムは、後側焦点距離に位置される、
ことを特徴とする電気光学画像処理システム。
【請求項２３】
３つのレンズ素子のそれぞれは、球面レンズ素子である、
請求項２２記載の電気光学画像処理システム。
【請求項２４】
前記トリプレットレンズは、第一のレンズ素子と第二のレンズ素子との間に位置される開口絞りを更に有する、
請求項２２記載の電気光学画像処理システム。
【請求項２５】
前記トリプレットレンズは、第二のレンズ素子と第三のレンズ素子との間に位置される開口絞りを更に有する、
請求項２２記載の電気光学画像処理システム。
【請求項２６】
光学的な空間周波数応答特性（ＭＴＦ）により特徴付けられる回転対称トリプレットレンズと、
前記トリプレットレンズにより形成される画像を捕捉するために位置される検出器サブシステムであって、該検出器サブシステムのナイキスト周波数を定義する検出器のアレイを有する検出器サブシステムと、前記光学的ＭＴＦは、前記ナイキスト周波数の０．２０倍と１．００倍の間の全ての周波数について、及び名目の画像平面の何れかの側での少なくとも１つの波のピンぼけを通して全ての画像平面の位置について、０．１から０．７５までの値をとり、
前記検出器サブシステムに結合されるデジタル画像処理サブシステムであって、前記検出器サブシステムにより捕捉される画像における少なくとも幾つかの画素について、前記ナイキスト周波数の０．２０倍と０．８０倍の間の少なくとも幾つかの周波数に対して少なくとも１．３の正規化されたゲインを与えるデジタル画像処理サブシステムとを有し、
前記回転対称トリプレットレンズは、
第一の回転対称な負レンズ素子と、
第二の回転対称な正レンズ素子と、
第三の回転対称な正レンズ素子と、
を有することを特徴とする電気光学画像形成システム。
【請求項２７】
前記トリプレットレンズは、前記第一のレンズ素子の前に位置される開口絞りを更に有する、
請求項２６記載の電気光学画像形成システム。
【請求項２８】
光学的な空間周波数応答特性（ＭＴＦ）により特徴付けられる回転対称トリプレットレンズと、
前記トリプレットレンズにより形成される画像を捕捉するために位置される検出器サブシステムであって、該検出器サブシステムのナイキスト周波数を定義する検出器のアレイを有する検出器サブシステムと、前記光学的ＭＴＦは、前記ナイキスト周波数の０．２０倍と１．００倍の間の全ての周波数について、及び名目の画像平面の何れかの側での少なくとも１つの波のピンぼけを通して全ての画像平面の位置について、０．１から０．７５までの値をとり、
前記検出器サブシステムに結合されるデジタル画像処理サブシステムであって、前記検出器サブシステムにより捕捉される画像における少なくとも幾つかの画素について、前記ナイキスト周波数の０．２０倍と０．８０倍の間の少なくとも幾つかの周波数に対して少なくとも１．３の正規化されたゲインを与えるデジタル画像処理サブシステムとを有し、
前記デジタル画像処理サブシステムは、前記検出器サブシステムにより捕捉された画像における少なくとも幾つかの画素に線形フィルタリングを施す、
ことを特徴とする電気光学画像形成システム。
【請求項２９】
前記デジタル画像処理サブシステムは、前記捕捉された画像における少なくとも幾つかの画素に空間不変の線形フィルタリングを施す、
請求項２８記載の電気光学画像形成システム。
【請求項３０】
前記デジタル画像処理サブシステムは、前記捕捉された画像における少なくとも幾つかの画素に空間変の線形フィルタリングを施す、
請求項２８記載の電気光学画像形成システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタル画像処理により補償される収差光学系（たとえば収差トリプレットレンズ）を有する電気光学画像形成システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のトリプレットレンズ光学系の多様性及び性能は、固定焦点の写真画像形成システムにおけるその普及を説明するものである。標準的なトリプレット設計は、１つの負で作動するレンズ素子により分離される２つの正で作動するレンズ素子を含む（ＰＮＰ）。従来のトリプレットは、全ての三次の光学収差を最小にする十分な自由度を有するという利点を有する。
【０００３】
標準的なトリプレットの形態が広い範囲の応用について満足されるように実行する一方で、基本的な設計の形態は、高速（低いＦ／＃）システムについて低い被写界深度に関する従来の制限に苦しむ。この制限は、光学的な収差を最小にすることで、トリプレット設計の形態の相対的な成功の結果である。従来、良好の補正される、低いＦ／＃システムは、低い被写界深度を固有に有する。被写界深度は、Ｆ／＃を増加することで増加される。しかし、セキュリティ又はモバイル画像形成のような多くの固定焦点の画像形成の応用では、被写界深度を増加するため、アパーチャサイズ、したがってシステムにおける光量を減少することは、許容することができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、良好な画像形成の性能を有しつつ、増加された被写界深度をも有する（トリプレットレンズに基づくシステムを含む）電気光学画像形成システムが必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、トリプレットレンズ、検出器サブシステム及びデジタル画像処理サブシステムを設けることで、従来技術の制限を克服する。トリプレットレンズは、全ての収差について完全に補正されず（典型的に著しい球面収差及び／又はコマ収差に苦しみ）、デジタル画像処理サブシステムは、トリプレットレンズにおける欠陥を補償する。このように、増加される被写界深度が実現される。
【０００６】
１つの態様では、収差トリプレットレンズ（aberrated  triplets  lens）の光学的なＭＴＦ（空間周波数応答特性）は、はじめに、良好に補正されたトリプレットよりも早くに立下るが、ゼロ交差を回避して、より高い周波数に対してゼロを超えた状態のままである。これにより、より多くの高周波成分が保持される。さらに、光学的ＭＴＦは、広い範囲のピンぼけに対して同様の形状を保持する。検出器サブシステムにより捕捉される結果として得られるぼやけた画像は、デジタル画像処理のサブシステムにより鮮鋭化される。このようにして、被写界深度の範囲は、良好の補正されたトリプレットを使用した従来のシステムに関して増加される。
【０００７】
特定のトリプレット設計のクラスは、以下を含む。１つの設計のクラスでは、トリプレットレンズは回転対称である。すなわち、３つのレンズ素子のそれぞれは、回転対称である。さらに、これらは球面の場合がある。１つの特定のトリプレットのクラスは、負の第一の素子、正の第二の素子、負の第三の素子といったＮＰＮの形態をとる。なお、これは、ＰＮＰである従来のトリプレットの逆である。したがって、逆転されたトリプレットと呼ばれる。
【０００８】
１つの光学設計のクラスでは、トリプレットの光学的ＭＴＦは、検出器サブシステムのナイキスト周波数の０．３倍と１．０倍の間の全ての周波数について、より好ましくは、ナイキスト周波数の０．２倍と１．０倍の間の全ての周波数について、０を超え（すなわちゼロ交差なし）０．７５以下のままの状態となる。代替的な設計では、光学的ＭＴＦは、ナイキスト周波数の０．５倍と１．０倍の間の全ての周波数について、より好ましくは、ナイキスト周波数の０．３倍と１．０倍の間の全ての周波数について、０と０．５との間の状態となる。代替的に、光学的ＭＴＦは、ナイキスト周波数の０．３倍と１．０倍の間の全ての周波数について、０．１と０．６との間の状態となる。さらに、光学的ＭＴＦは、所望のピンぼけの範囲内の全ての画像平面の位置について、これら境界内にあることが好ましい。所望のピンぼけの範囲は、応用に依存するが、１波から数波のピンボケにわたるか、それ以上となる。
【０００９】
デジタル画像処理サブシステムは、低いコントラストの周波数を改善するため、正規化されたゲインを提供する。全体を通して、用語「正規化されたゲイン」とは、ＤＣゲインに関して、ある周波数でのゲインを意味するために使用される。１つの代替では、デジタル画像処理サブシステムでは、ナイキスト周波数の０．２０倍と０．８０倍の間の周波数の少なくとも幾つかに少なくとも１．０の正規化されたゲインを与える。代替的に、デジタル画像処理サブシステムは、ナイキスト周波数の０．３倍から１．０倍の範囲における何処かに少なくとも１．５の正規化されたゲインを与え、好ましくは、その周波数範囲において少なくとも２．０の正規化されたゲインを与え、より好ましくは、その周波数範囲における周波数に対して、少なくとも２．０又は３．０の正規化されたゲインを与える。先の特性は、所望のピンぼけの範囲に対して当てはまる。１つのアプローチでは、このことは、（たとえばフィルタカーネルといった）適用される同じ画像処理が全てのピンぼけの位置に適用されるので当てはまる。
【００１０】
結果として得られるシステムＭＴＦ（すなわち、光学系、検出器サブシステム及びデジタル画像処理サブシステムの集合伝達関数）は、ナイキスト周波数の０．２倍から０．４倍の範囲における全ての周波数について、及びピンぼけの全体の所望の範囲を通して、０．８と１．１との間の値を有することができる。代替的なシステムＭＴＦは、ナイキスト周波数の０．４倍から０．６倍の範囲における全ての周波数について０．６と１．１の間にあるか、ナイキスト周波数の０．５倍から１．１倍の範囲において０．５と１．１の間にある。更に別の実現は、ナイキスト周波数の０．５倍から０．８倍の範囲における全ての周波数について０．４を超えるシステムＭＴＦを有する。
【００１１】
これらのシステムについて、ナイキストレートは、関心のある中心波長での回折限界の空間周波数以下である。ナイキスト周波数に対する回折限界の空間周波数の割合は、オーバサンプリングファクタＯである。１つの態様では、逆転されたトリプレットシステムのオーバサンプリングファクタＯは、２．５よりも大きく、代替的に、４．０又は５．０よりも大きい。たとえば、光学系が５００ｎｍの中心周波数をもつＦ／４．０である場合、回折限界の空間周波数は５００ｌｐ／ｍｍである。５ミクロンの画素ピッチは、１００ｌｐ／ｍｍのナイキスト周波数を有する。このシステムのオーバサンプリングファクタは５である。
【００１２】
他の態様では、電気光学画像形成システムは、後側焦点距離がスポットサイズを最小にする後側焦点距離よりも実質的に長いという特徴を有する。逆に、これは、実際の後側焦点距離での二乗平均（ＲＭＳ）スポットサイズが、スポットサイズを最小にする後側焦点距離でのＲＭＳスポットサイズよりも実質的に大きいことを意味する。同様に、ＲＭＳ波面誤差は、典型的に、波面誤差を最小にする後側焦点距離でのＲＭＳ波面誤差よりも実質的に大きい。ＲＭＳスポットサイズ及びＲＭＳ波面誤差は、最小値よりも２０％、５０％又は、更には１００％大きい。
【００１３】
他の態様では、トリプレットレンズは、補正されない球面収差（及びおそらくコマ収差）を有するように設計される。これは、ピンぼけ又は非点収差のような他の収差の存在がゼロを光学的ＭＴＦに導入しないように使用することができる。ゼロ交差は、画像処理の間に回復することができない失われた情報を表すので、回避されることが好ましい。必要とされる補正されない球面収差の量は、オーバサンプリングファクタＯと焦点深度における所望の範囲の関数である。
【００１４】
様々なタイプのデジタル画像処理を使用することができる。線形及び／又は非線形、空間変及び／又は空間不変、バンドパス、ハイパス、回転対称及び回転非対称は、幾つかの例である。
【００１５】
これらのアプローチは、従来のトリプレットシステムに比較して、同じ又は良好な視野、Ｆ／＃及び空間帯域幅で、より大きな被写界深度を達成するために使用することができる。例となる設計は、従来のカラー（ＲＧＢ）画像形成センサについて、少なくとも３０°、Ｆ／５又はより高速である全視野で、２波の被写界深度の範囲を達成することができる。
【００１６】
本発明の他の態様は、上述されたシステム、及び全ての上述の内容に対応する方法のアプリケーション及びコンポーネントを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
特許又は出願ファイルは、カラーで実施される少なくとも１つの図面を含む。カラー図面をもつ本特許又は特許出願公報のコピーは、必要な料金の要求及び支払いに応じて特許庁により提供されるであろう。
【００１８】
本発明は、添付図面と共に読まれたとき、本発明の以下の詳細な説明及び特許請求の範囲から更に容易に明らかとなる他の利点及び特徴を有する。
【図１】本発明に係る電気光学画像形成システムのブロック図である。
【図２ａ】従来のトリプレットの図（従来技術）である。
【図２ｂ】図２ａの従来のトリプレットと同じ応用のために設計された収差トリプレットの図である。
【図３ａ】図２ａの従来のトリプレットの光学的ＭＴＦのグラフ（従来技術）である。
【図３ｂ】図２ｂの収差トリプレットの光学的ＭＴＦのグラフである。
【図４】図４ａ（従来技術）及び図４ｂ〜図４ｃは、図３ａ及び図３ｂのそれぞれにおける光学的ＭＴＦに基づいてシミュレートされる画像である。
【図５】図５ａ（従来技術）及び図５ｂは、図３ａ及び図３ｂのそれぞれにおける光学的ＭＴＦに基づいてシミュレートされる画像である。
【図６】図６ａ（従来技術）及び図６ｂは、デジタル画像処理後の、図５ａ及び図５ｂにおける画像である。
【図７】本発明に係る別の収差トリプレットの図である。
【図８】図８ａ〜図８ｃは、図７の収差トリプレットの光学的ＭＴＦのグラフである。
【図９】図９ａ〜図９ｃは、図７の収差トリプレットの光学的ＭＴＦのグラフである。
【図１０】画像処理の前後の、図７の収差トリプレットのＭＴＦのグラフである。
【図１１】本発明に係る更に別の収差トリプレットの図である。
【図１２】図１２ａ〜図１２ｃは、図１１の収差トリプレットの光学的ＭＴＦのグラフである。
【図１３】図１１の収差トリプレットについて、焦点シフトの関数としての光学的ＭＴＦのグラフである。
【図１４】画像処理の前後の、図１１の収差トリプレットのＭＴＦのグラフである。
【図１５】本発明に係る更に別の収差トリプレットの図である。
【図１６】図１６ａ〜図１６ｃは、図１５の収差トリプレットの光学的ＭＴＦのグラフである。
【図１７】画像処理の前後の、図１５の収差トリプレットのＭＴＦのグラフである。  図面は、例示を目的として本発明の実施の形態を示す。当業者であれば、本明細書で例示される構成及び方法の代替的な実施の形態は、本明細書で記載される本発明の精神から逸脱することなしに利用される場合があることを以下の説明から容易に認識するであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、本発明の１態様に係る電気光学画像形成システムのブロック図である。画像形成システムは、収差光学サブシステム１１０（たとえばレンズアセンブリ）、検出器サブシステム１２０（たとえば、ＣＣＤ検出器アレイ）及びデジタル画像処理サブシステム１３０（たとえば、専用チップ又はソフトウェアで典型的に実現される）を含む。画像形成システムは、被写体１５０のデジタル画像１８０を生成する。トリプレットレンズを例示的な光学サブシステム１１０として使用して、トリプレットレンズは、回折限界的ではない。むしろ、トリプレットレンズは、デジタル画像処理サブシステム１３０により、少なくとも部分的に補償される収差に苦しむ。しかし、収差トリプレットレンズ１１０は、ピンぼけに対して鈍感である。したがって、被写界深度は、従来の回折限界的なトリプレットに比較して増加される。
【００２０】
例として、従来のトリプレットに基づくシステムを図１におけるシステムと比較する。５０°の全視野、焦点距離ｆ〜５．６ｍｍ及びＦ／３．０の光学系であるとする。また、検出器サブシステムが５．６μｍの画素（すなわち５．６μｍピッチ）をもつ検出器アレイを有するものとする。これは、９０ｌｐ／ｍｍのナイキスト周波数に対応する。名目の撮影距離が５ｍであると想定する。図２ａ（従来技術）は、これらの仕様について設計された従来のトリプレットを示す。図２ｂは、同じ仕様について設計された収差トリプレットを示す。このトリプレットは、図７及び表２に示されるトリプレットの変形である。なお、図２ａの従来のトリプレットは、標準的なＰＮＰの形態（正レンズ素子−負レンズ素子−正レンズ素子）を採用するが、この例示的な収差トリプレットは、正確に反対の形態を採用する（負レンズ素子−正レンズ素子−負レンズ素子）。
【００２１】
図３〜図６は、これら２つのシステムの性能を比較するものであり、（ａ）図は、従来のトリプレットの性能を示し、（ｂ）図は、収差トリプレットの対応する性能を示す。
【００２２】
図３は、ナイキスト周波数までの光学的ＭＴＦを示す。曲線３１０ａ及び３１０ｂは、無限遠に配置される被写体の光学的ＭＴＦである。曲線３２０ａ及び３２０ｂは、０．５ｍに位置される被写体の光学的ＭＴＦである。従来のトリプレットについて、光学的ＭＴＦ３１０ａ（無限遠にある被写体）は、ナイキスト周波数に向かって良好なコントラストを示す。しかし、光学的ＭＴＦ３２０ａ（０．５ｍにある被写体）は、ゼロ交差に苦しむ。その周波数での情報は失われ、デジタル画像処理サブシステムにより回復することができない。
【００２３】
対照的に、収差トリプレットの光学的ＭＴＦ３１０ｂ及び３２０ｂは、（たとえば光学的ＭＴＦ３１０ａ及び３２０ａに比較して１０ｌｐ／ｍｍ前後である）低周波数で低いコントラストを有するが、ゼロ交差を回避することでナイキスト周波数までの全ての周波数でコントラストを保持する。デジタル画像処理サブシステムは、コントラストを改善する。さらに、収差トリプレットの光学的ＭＴＦは、撮影距離の関数として（すなわちピンぼけの関数として）有意に変動しない一方で、従来のトリプレットの光学的ＭＴＦ３１０ａ及び３２０ａが有意に異なる。結果として、デジタル画像処理サブシステムは、収差システムについて全ての周波数で情報を回復することができるだけでなく、デジタル画像処理サブシステムは、簡略化される。これは、単一のフィルタが何れかの距離で被写体のコントラストを回復するために使用されるためである。逆に、収差システムは、撮影距離が既知ではない場合に良好に実行する。図２ｂに示されるシステムは、製造エラーにより導入される典型的なピンぼけ及び非点収差に対するその相対的な鈍感さのためにロバストである。
【００２４】
これら２つのシステムの性能を視覚的に比較するため、図３ａ及び図３ｂに示される光学的ＭＴＦを被写体に適用することで、２つの異なる被写体の画像形成がシミュレートされる。結果は図４〜図６に示されており、（ａ）図は、図３ａの従来の光学的ＭＴＦにより生成され、（ｂ）図は、図３ｂの収差された光学的ＭＴＦにより生成される。図示される画像は、３次元シーンのものである。しかし、先のシミュレーションアプローチは、被写体を平坦な平面的な被写体として扱う。すなわち、被写体は、３次元シーンの画像であり、３次元の深度をもつ実際のシーンではない。これは、シミュレーションの便宜のために行われる。以下の画像は、２つのトリプレットレンズシステムの定量的な比較を与える。
【００２５】
図４は、無限遠に位置される被写体をシミュレートする。図４ａは、従来のトリプレットシステムにより生成される画像を示す。画像は、良好なコントラストを示し、基本的にその後の処理を必要としない。更なる画像処理後の画像は、図４ａで示される画像と大して異ならないように見える。
【００２６】
図４ｂ及び図４ｃは、収差トリプレットシステムの画像である。図４ｂは、検出器サブシステムにより捕捉される画像を示す。画像はぼやけているように見える。図４ｃは、デジタル鮮鋭化処理の後に結果として得られる画像を示す。コントラストは、低雑音の増幅で回復される。画像は、従来のシステムにより生成される画像に匹敵する。このシミュレーションでは、画像を鮮鋭化するために標準的なウィナーフィルタが適用され、サイズ又はビット深度の観点でフィルタが制約されない。
【００２７】
図５及び図６は、０．５ｍに位置される被写体についてシミュレートされた画像を示す。図５は、従来のシステム及び収差されたシステムの両者について、検出器サブシステムにより捕捉される画像を示す。両方の画像は、ぼやけて見える。従来の画像（図５ａ）は、主にピンぼけのためにぼやけて見える一方で、収差トリプレットの画像（図５ｂ）は、主に球面収差及びコマ収差のためにぼやけて見える。両方の画像がぼやけて見えるが、ぼやけの性質（及び後に画像処理により補償することができるか）は、２つの画像について非常に異なる。
【００２８】
どうにかして、正確な撮影距離が既知である場合、従来のトリプレットにより生成されるピンぼけされた画像を鮮鋭化することを試みることができる。しかし、光学的ＭＴＦにおけるゼロ交差のため（図３における曲線３２０Ａを参照）、画像は、画像処理を通して改善に回復することができない。鮮鋭化フィルタについて、好ましくないリンギングアーチファクトを形成する強いフィルタを使用すること又は弱いフィルタを使用することと、ぼやけた画像に苦しむこととの間にトレードオフが存在する。図６ａにおける画像は、これら２つのアーチファクトを釣り合わせる試みを示す。画像はオリジナルのピンぼけした画像よりも僅かに鮮鋭である一方で、若干のリンギングアーチファクトが見えている。
【００２９】
図５ｂ及び図６ｂは、収差トリプレットの対応する画像を示す。なお、この例では、無限遠（図４ｂ）にある被写体について使用された同じ鮮鋭化フィルタは、このケースを鮮鋭化するために使用される。すなわち、図６ｂにおける画像は、図４ｂについて使用される同じフィルタを適用した後の画像を示す。フィルタリングされた画像は、（たとえばリンギングのない）微小のフィルタリングアーチファクトをもつ良好なコントラストを示す。更なる斬新的な改善が望まれる場合、この撮影距離について特に個別のフィルタが設計される。図４〜図６は、収差システムの増加される被写界深度を示し、画像処理が未知の被写体の深度に対して感度が低いことを示す。
【００３０】
この例では、ピンぼけ又は非点収差のような他の収差の存在により、ゼロが光学的ＭＴＦに導入されないように、残余の球面収差及びコマ収差が使用される。ゼロ交差は、画像処理により回復することができない失われた情報を表すので、ゼロ交差が回避されることが好ましい。たとえば、以下の表１は、所与のオーバサンプリングファクタ及び所望の被写界深度の範囲をもつシステムにとって十分な補正されない球面収差の量を示す。
【表１】
2010011462.tif 000003
ＤＯＦ範囲とオーバサンプリングファクタとの間で他のトレードオフを形成することができる。
【００３１】
たとえば、これらの関係を満たす１つの方法は、光学系の効果的なＦ＃を制御することによる。たとえば、図７に示される設計の場合、有効な入射瞳の直径を変えることで、設計者は、所与の画素ピッチについて、オーバサンプリングファクタと同様に、有効な球面収差の量を制御することができる。図７に示される設計の場合、入射瞳の直径（ＥＰＤ）が１．２ｍｍであるように開口を使用して入射瞳を小さくする場合、システムは、近似的に１波の球面収差（ＳＡ）を有し、３〜４ミクロンの範囲における画素を有するセンサのための関係を満たす。ＥＰＤが１．３である場合、ＳＡは約２波であり、３．５〜４．５ミクロンの範囲における画素について機能する。ＥＰＤが１．４５である場合、ＳＡは約３波であり、４〜５ミクロンの範囲における画素について機能する。ＥＰＤが１．５である場合、ＳＡは約４波であり、４．５〜５．５ミクロンの範囲における画素について機能する。ＥＰＤが１．６２である場合、ＳＡは約５波であり、５〜６ミクロンの範囲における画素について機能する。ＥＰＤが１．７である場合、ＳＡは約６波であり、５．５〜６．５ミクロンの範囲における画素について機能する。ＥＰＤが１．７８である場合、ＳＡは約７波であり、５．５〜７ミクロンの範囲における画素について機能する。
【００３２】
図７〜図１７は、収差トリプレットの設計に関する更なる例を示す。引用により本明細書に盛り込まれる米国特許出願１１／１５５，８７０“End  to  End  Design  of  Electro-optic  Imaging  Systems”を参照されたい。この米国特許出願は、画像処理により補償される光学サブシステムを設計する様々な技術を説明する。
【００３３】
図７〜図１０は、図１ｂに示されるトリプレットに類似したＮＰＮトリプレットについて示す。図７は、このトリプレットを示す。このトリプレットは、４０°の完全な視野、Ｆ／２．９、可視カラー（ＲＧＢ）画像形成、４μｍ画素（ピッチ）及び１／５インチ検出器アレイをもつ用途向けに設計される。表２は、光学的な規定を列挙する。表面０は、可変の厚さを有し、この例では３００ｍｍから無限遠までの範囲に及ぶ可変の撮影距離を示す。
【表２】
2010011462.tif 000004
【００３４】
図８ａ〜図８ｃ及び図９ａ〜図９ｃは、このトリプレットについて光学的ＭＴＦを示す。ナイキスト周波数は、１２５ｌｐ／ｍｍである。図８は、λ＝０．６５６３μｍで測定された光学的ＭＴＦを示し、図９は、λ＝０．４８６１μｍでの光学ＭＴＦを示す。これらのそれぞれでは、図（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、３０ｍ、０．８ｍ及び０．３ｍのそれぞれでの被写体に対応する。名目の撮影距離は０．８ｍである。この撮影距離の範囲は、１．８波のピンぼけにおける範囲に対応する。回折限界的な光学的ＭＴＦは、比較のために図８及び図９において示される。緑チャネルのオーバサンプリングファクタは５である。
【００３５】
図１０は、画像処理前の光学的ＭＴＦ１０１０及び画像処理後のシステムＭＴＦ１０２０を示す。この例では、線形の空間不変の１１×１１フィルタが使用される。ＭＴＦは、緑波長の視野にわたる平均のＭＴＦを示す。ＭＴＦは、ナイキスト周波数に正規化される。
【００３６】
また、図７におけるトリプレットは、後側焦点距離がスポットサイズ（又は波面誤差）を最小にする後側焦点距離よりも実質的に長いという特性を有する。図７では、後側焦点距離は４．４９ｍｍである。５４０ｎｍの緑の波長で、これは、半径において近似的に４４ミクロンのＲＭＳスポットサイズ及び約１．１波の誤差のＲＭＳ波面誤差となる。検出器サブシステムが４．２ｍｍの後側焦点距離に移動された場合、これは、半径において約１８ミクロンでＲＭＳスポットサイズを最小にする。４．２９ｍｍの後側焦点距離は、約０．５波の誤差でＲＭＳ波面誤差を最小にする。なお、実際の後側焦点距離でのＲＭＳスポットサイズ及び波面誤差は、最小値の２倍よりも大きい。
【００３７】
図１１〜図１４は、ＮＰＮトリプレットの更に極端なバージョンを示す。図１１は、表３で与えられた光学的な規定によるトリプレットを示す。このトリプレットは、５０°の全視野、Ｆ／２．６、可視カラー（ＲＧＢ）画像形成、５μｍ画素（ピッチ）、及び１／４インチ検出器アレイをもつ用途向けに設計される。
【表３】
2010011462.tif 000005
【００３８】
図１２ａ〜図１２ｃは、１０ｍ、０．８ｍ及び０．２５ｍのそれぞれでの被写体について、λ＝０．５８７６μｍで測定された光学的ＭＴＦを示す。図１３は、焦点シフトの関数として（すななわち名目の画像平面からの導出）、λ＝０．５８７６μｍ及び５０ｌｐ／ｍｍで測定された光学的ＭＴＦを示すグラフである。光学的ＭＴＦは、極めて一定である、ピンぼけに対して鈍感である。このＮＰＮトリプレットは、ピンぼけの３波に対する被写界深度について範囲を拡大することができる。本システムは、緑のチャネルについてオーバサンプリングファクタ７を有する。図１４は、画像処理前後のＭＴＦ１４１０及び１４２０を示す。
【００３９】
図１５〜図１７は、１つの最終的な例を示す。図１５は、ＮＰＰトリプレットを示し、表４は、光学的な処方を与える。この応用は、４０°の全視野、Ｆ／２．８、可視カラー（ＲＧＢ）画像形成、５μｍ画素（ピッチ）、及び１／４インチ検出器アレイである。図１６ａ〜図１６は、１０ｍ、０．８ｍ及び０．４ｍのそれぞれにある被写体について、λ＝０．５８７６μｍで測定された光学的ＭＴＦを示すグラフである。図１７は、画像処理の前後でのＭＴＦ１７１０及び１７２０を示す。
【表４】
2010011462.tif 000006
【００４０】
詳細な説明は多くの具体例を含むが、これらは、本発明の範囲を制限するものとして解釈されるべきではなく、本発明の異なる例及び態様を例示するものとして解釈されるべきである。本発明の範囲は、先に詳細に説明されていない他の実施の形態を含むことが理解されるべきである。たとえば、別の設計のクラスでは、望遠写真グループがフィールド補正（歪み補正）グループにより後続される。ＮＰＮトリプレットの形態では、最初の２つの素子（ＮＰ）は、フィールド補正グループとして作用する最後の素子（Ｎ）により後続される、望遠写真グループであると考えることができる。望遠写真グループは、正の素子に先立ってビームを拡大し、光学系における球面収差を悪化させることで、球面収差を強調する。これは、フィールド歪み誤差を受け、この誤差は、フィールド補正グループにより補正される。
【００４１】
別の例として、電気光学画像形成システムの空間帯域幅は、用途に依存して変動する。例示的なシステムは、１００ｎｍ（基本的にモノクロ）、２００ｎｍ、３００ｎｍ又はそれ以上のスペクトル帯域幅を有する場合がある。当業者にとって明らかである様々な他の変更、変形及びバリエーションは、特許請求の範囲で定義される本発明の精神及び範囲から逸脱することなしに、本明細書で開示された本発明の方法及び装置のアレンジメント、動作及び詳細で行われる場合がある。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲及びそれらの等価な概念により決定されるべきである。
【符号の説明】
【００４２】
１５０：被写体
１１０：収差光学系
１２０：検出器
１３０：イメージプロセッサ
１８０：画像
【図１】
2010011462.tif 000007
【図２ａ】
2010011462.tif 000008
【図２ｂ】
2010011462.tif 000009
【図３ａ】
2010011462.tif 000010
【図３ｂ】
2010011462.tif 000011
【図７】
2010011462.tif 000012
【図８】
2010011462.tif 000013
【図９】
2010011462.tif 000014
【図１０】
2010011462.tif 000015
【図１１】
2010011462.tif 000016
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2010011462.tif 000019
【図１５】
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【図１６】
2010011462.tif 000021
【図１７】
2010011462.tif 000022
【図４】
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【図５】
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【図６】
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