(57)【要約】【課題】  十分な解像度を維持しつつ、光軸方向に離間した複数の被検体を同一の結像面に同時に結像させる。【解決手段】  被検体と結像面との間に、屈折力が互いに異なり光軸方向に異なる位置に配置された複数の領域に分割された光学素子を配置することにより、光軸方向に離間した複数の被検体の像を同時に結像面面に結合することができる。  あるいは、被検体と結像面との間に、被検体からの光の一部が透明な平行平板を透過するように配置し、平行平板の厚さ及び屈折率に応じた距離だけ離間した複数の被検体の像を同時に結像面面に結合することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体の像を結像面上に結像させる結像光学系において、
前記被検体と前記結像面との間に透明な平行平板部材を介装し、前記被検体から出て前記結像面上に集光される光の一部が前記平行平板部材を通過するようにすることにより、前記被検体の像と、前記被検体から前記平行平板部材の厚さ及び屈折率に応じた距離だけ光軸方向に離間した他の被検体の像とが、同時に、前記結像面に結像されるようにしたことを特徴とする結像光学系。
【請求項２】
前記平行平板部材が、前記光軸を中心とする円周方向に並んで配置された複数のセグメントの結合からなるとともに、前記複数のセグメントそれぞれの厚さ及び／又は屈折率が互いに異なっていることを特徴とする請求項１記載の結像光学系。
【請求項３】
前記平行平板部材が前記光軸まわりに回転自在であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の結像光学系。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の結像光学系と、前記結像面上に結像された像を撮像する撮像デバイスとを備えて構成されたことを特徴とする撮像装置。
【請求項５】
前記結像光学系は開口絞りを有し、前記結像光学系を構成する前記平行平板部材は前記開口絞りの近傍位置に設けられていることを特徴とする請求項４記載の撮像装置。
【請求項６】
前記結像光学系を構成する前記平行平板部材及び前記平行平板部材以外の一又は複数の光学素子は互いに分離可能なモジュールとして構成されており、各モジュールは前記撮像装置の光軸に対して配置の変更が可能になっていることを特徴とする請求項４又は５記載の撮像装置。
【請求項７】
被検体の像を結像面上に結像させる結像光学系において、
前記被検体と前記結像面との間に、屈折力が異なる複数の領域に分割された光学素子を有し、
前記複数の領域は、光軸方向の異なる位置にそれぞれ配置されていることを特徴とする結像光学系。
【請求項８】
前記光学素子は円形であり、光軸を中心として円周方向に複数の領域に分割されていることを特徴とする請求項７に記載の結像光学系。
【請求項９】
前記複数の領域は、光軸に沿って異なる位置に配置された複数の被検体との距離に対応して配置され、
前記複数の被検体は、前記複数の領域を有する前記光学素子によって同一の像面に結像されることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の結像光学系。
【請求項１０】
前記複数の領域は、光軸方向に移動可能であり、
前記複数の被検体は、前記複数の領域を有する前記光学素子によって同一の像面に結像されることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の結像光学系。
【請求項１１】
前記光学素子は、アフォーカル光学系またはテレセントリック光学系であること
を特徴とする請求項７に記載の結像光学系。
【請求項１２】
前記光学素子は、光軸の周りに回転可能であること
を特徴とする請求項７から請求項１１のいずれか一項に記載の結像光学系。
【請求項１３】
前記光学素子は、撮像素子に対して回転可能であること
を特徴とする請求項７から請求項１１のいずれか一項に記載の結像光学系。
【請求項１４】
前記光学素子は、撮像光学系の開口絞り近傍に配置されていること
を特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の結像光学系。
【請求項１５】
前記複数の領域のうちの特定の一つの領域の有効光束に対応した形状の開口を有する遮光板と、
前記遮光板を光軸の周りに回転させ、前記被検体を同時に撮像した像を分離、特定する手段とを有すること、
を特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の結像光学系。
【請求項１６】
請求項７から請求項１５のいずれか一項に記載された結像光学系を有し、
前記被検体と撮像面との間に配置され、前記結像光学系が撮像レンズに着脱可能であることを特徴とする撮像装置。
【請求項１７】
請求項７から請求項１５のいずれか一項に記載された結像光学系を有し、
前記被検体と撮像面との間に配置され、前記結像光学系が撮像光学系に着脱可能であることを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体の像を結像面上に結像させる結像光学系及びこの結像光学系を用いた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
透明物体の表裏面や内部の傷、欠陥などを撮像して検査する撮像装置等には、被検体の像を結像面上に結像させる結像光学系と、この結像光学系により結像面上に結像された画像を撮像する撮像デバイスとが組み込まれている。このような撮像装置において例えば平行平板ガラスの表面と裏面、或いはこれらと平行な断面の画像など、互いに光軸方向に離間して位置する複数の被検体を撮像しようとする場合には、撮像レンズを光軸方向に移動させる等して検査（撮像）したい被検体（表面或いは断面）ごとにフォーカスし直す必要がある。或いは、上記のように撮像レンズを光軸方向に移動させる代わりに、透明な平行平板部材を回転円盤に取り付けてこれを結像光学系の光路中に出し入れし、その平行平板中を通過するときの光の屈折作用を利用してフォーカス位置を変動させるものも知られている(例えば下記の特許文献１，２参照)。
【０００３】
また、このように光軸方向に離れた複数の被検体を各々撮像するのではなく、これら複数の被検体を同時に同一の結像面上に結像させて一つの画像として撮像する技術も求められている。これには、眼鏡レンズに応用されている累進焦点レンズ（下記の特許文献３参照）や多焦点レンズ（下記の特許文献４参照）など、レンズの有効口径内において度（焦点距離の逆数）が異なる複数のレンズが組み込まれたレンズ、或いは結像光学系の有効径の中心部から周辺部へかけて度が変化する多数の同心状の輪帯状領域を有したゾーンプレートや多重凹面反射鏡などを撮像レンズとして採用したものが知られている。また、開口絞りを絞り込んで被写界深度を大きくすることによっても、光軸方向に離間した複数の物体を同時に結像・撮像することが可能である。
【特許文献１】特開平４−３１５９０６号公報
【特許文献２】特開平８−３０４０４３号公報
【特許文献３】特開平６−３１３８６６号公報
【特許文献４】特開平６−２１４１９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、光軸方向に離れた複数の被検体を、度（焦点距離の逆数）の異なる複数のレンズを通して撮像した場合には、各被検体ごとに像サイズが異なってしまうために、得られた画像（画質）が不自然なものとなるという欠点があった。また、開口絞りを絞り込んで（被写界深度を大きくして）撮像した場合には、被検体から結像光学系への入射光量（開口数）が小さくなるため、解像度が低下して微細な傷や欠陥等を検出することが困難になるという問題があった。
【０００５】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、十分な画質と解像度とを維持しつつ、光軸方向に離間した複数の被検体を同一の結像面上に同時に結像させることが可能な構成の結像光学系及びこれを用いた撮像装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような目的を達成するため、請求項１に係る発明の結像光学系は、被検体の像を結像面上に結像させる結像光学系において、前記被検体と前記結像面との間に透明な平行平板部材を介装し、前記被検体から出て前記結像面上に集光される光の一部が前記平行平板部材を通過するようにすることにより、前記被検体の像と、前記被検体から前記平行平板部材の厚さ及び屈折率に応じた距離だけ光軸方向に離間した他の被検体の像とが、同時に、前記結像面に結像されるようにしたことを特徴とする。
【０００７】
請求項２に係る発明の結像光学系は、請求項１記載の結像光学系において、前記平行平板部材が、前記光軸を中心とする円周方向に並んで配置された複数のセグメントの結合からなるとともに、前記複数のセグメントそれぞれの厚さ及び／又は屈折率が互いに異なっていることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に係る発明の結像光学系は、請求項１又は請求項２記載の結像光学系において、前記平行平板部材が前記光軸まわりに回転自在であることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に係る発明の撮像装置は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の結像光学系と、前記結像面上に結像された像を撮像する撮像デバイスとを備えて構成されたことを特徴とする。
【００１０】
請求項５に係る発明の撮像装置は、請求項４に記載の撮像装置において、前記結像光学系は開口絞りを有し、前記結像光学系を構成する前記平行平板部材は前記開口絞りの近傍位置に設けられていることを特徴とする。
【００１１】
請求項６に係る発明の撮像装置は、前記結像光学系を構成する前記平行平板部材及び前記平行平板部材以外の一又は複数の光学素子は互いに分離可能なモジュールとして構成されており、各モジュールは前記撮像装置の光軸に対して配置の変更が可能になっていることを特徴とする。
請求項７の結像光学系は、被検体と結像面との間に、屈折力が異なる複数の領域に分割された光学素子を有し、前記複数の領域は、光軸方向の異なる位置にそれぞれ配置されており、前記被検体から出て前記結像面上に集光される光の一部が前記光学素子を通過するようにすることにより、光軸方向に離間した位置の複数の被検体の像と同時に前記結像面に結像されるようにしたことを特徴とする結像光学系である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る結像光学系によれば、光軸方向に離間した複数の被検体の像を、光量(開口数)及び解像度の低下を伴うことなく同一の結像面上に同時に結合させることができる。また、本発明に係る撮像装置によれば、解像度の高い良好な画質の上記像の画像を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る撮像装置１を示している。この撮像装置１は、光軸ＡＸ上に距離ｚ0だけ離間して位置した２つの被検体Ｑ１，Ｑ２（被検体Ｑ１が撮像レンズ２側に位置しているものとする）の像を撮像対象とするものであり、被検体Ｑ１、Ｑ２に光を照射する図示しない光源と、この光源により照射された被検体Ｑ１，Ｑ２からの光を結像面４（後記する撮像デバイス５の撮像面）上に集光する撮像レンズ（結像レンズ）２と、被検体Ｑ１，Ｑ２と撮像レンズ２との間に介装された透明な平行平板部材からなる挿入プレート（厚さｄ1、屈折率ｎ1）３と、結像面４上に結像された像を撮像する撮像デバイス５（例えばＣＣＤカメラ）とを有して構成される。なお、上記撮像装置１を構成する要素のうち、撮像レンズ２と挿入プレート３とは被検体Ｑ１，Ｑ２の像を結像面４上に結像させる結像光学系であり、本発明に係る結像光学系に相当する。
【００１４】
挿入プレート３は、図１及び図２から分かるように、半円盤形状（円盤を半分にした形状）を有しており、その中心軸（円盤の中心軸に相当する軸）が光軸ＡＸとほぼ一致するように設けられている。また、撮像レンズ２はここでは１枚のレンズとして示しているが、複数のレンズを組み合わせた構成とすることもできる（後述の他の実施形態においても同様）。
【００１５】
被検体Ｑ１，Ｑ２に対する撮像レンズ２及び結像面４の（撮像デバイス５の）相対位置は自由に設定することができるようになっている。本撮像装置１により被検体Ｑ１，Ｑ２の撮像を行うには、先ず、挿入プレート３を撮像装置１から取り外した状態において、被検体Ｑ１の像が結像面４上の点Ｐに結像されるように、被検体Ｑ１に対する撮像レンズ２及び結像面４の位置調整を行う。このとき光軸ＡＸ上における被検体Ｑ１の位置Ａ1から出て結像面４上に集光される光の光路は、図２における光軸ＡＸよりも上側の領域において示す光路Ａ1→Ａ4→撮像レンズ２内→Ａ5→Ｐとなる。
【００１６】
続いて挿入プレート３を被検体Ｑ１と撮像レンズ２との間に挿入設置すると、被検体Ｑ１（点Ａ1）から出て結像面４上に集光される光の一部はこの挿入プレート３を通過するようになる。このように挿入プレート３を通過する光は挿入プレート３への入出射時に屈折するため点Ｐに集光されることはないが、代わりに、被検体Ｑ１から光軸ＡＸ方向に距離ｚだけ離間した（撮像レンズ２から遠ざかる方向に離間した）光軸ＡＸ上の点Ｃ0から出た光の一部が挿入プレート３を通って、結像面４上の点Ｐに結像されるようになる。このとき点Ｃ0から出て結像面４上に集光される光の光路は、図２における光軸ＡＸよりも下側の領域において示す光路Ｃ0→Ｂ2→挿入プレート３内→Ｂ3→Ｂ4→撮像レンズ２内→Ｂ5→Ｐとなる。
【００１７】
ここで、被検体Ｑ１，Ｑ２と撮像レンズ２との間に挿入される挿入プレート３の厚さ（ｄ1）及び屈折率（ｎ1）と、上記距離ｚとの関係について述べる。
【００１８】
図２に示すように、点Ｃ0から出た光はＣ0→Ｂ2と進んで挿入プレート３に入射し、挿入プレート３に入射した光はその入射時に屈折して挿入プレート３内をＢ2→Ｂ3と進んだ後、挿入プレート３から出射するときに更に屈折してＢ3→Ｂ4と進み、撮像レンズ２に入射する。ここで、光路Ｂ3−Ｂ4をＢ3側に延長した直線が光軸ＡＸと交わる点は点Ａ1に一致するので（光路Ｂ3−Ｂ4を経た光は光路Ａ1−Ａ4を経た光と同様、点Ｐに集光されるから）、線分Ｃ0Ａ1の長さは、平行平板における屈折の法則より、
Ｃ0Ａ1＝（１−１／ｎ1）ｄ1    ・・・  （１）
となる。また、線分Ｃ0Ａ1の長さと上記距離ｚとは等しいので、
ｚ＝（１−１／ｎ1）ｄ1    ・・・  （２）
と表すことができる。
【００１９】
ここで、挿入プレート３の厚さ（ｄ1）及び屈折率（ｎ1）が変化し上記式（２）でｚ＝ｚ0とおいた関係式
ｚ0＝（１−１／ｎ1）ｄ1    ・・・  （３）
を満たすのであれば、被検体Ｑ１の像と、この被検体Ｑ１に対して光軸ＡＸ方向に距離ｚ0だけ離間して位置した被検体Ｑ２の像とが、同時に、結像面４に結像される。そして、この結像面４上に映し出された像を撮像デバイス５により撮像すれば、両被検体Ｑ１，Ｑ２の像を同時に（同一ピントの画像として）得ることができる。また、撮像デバイス５により撮像された画像は図１に示す画像処理装置６において処理された後、ディスプレイ７上にて視覚表示される。なお、挿入プレート３は単一の厚さ及び屈折率を有する透明な平行平板部材であるため、被検体Ｑ１と撮像レンズ２との間の光路中のどの位置に挿入しても距離ｚを変動させることはないが、できるだけ撮像レンズ２に近接して設ける方が、撮像装置１全体をコンパクトにし得る点で有利である。
【００２０】
図３は本発明の第２実施形態に係る撮像装置２０を示している。この撮像装置２０は、光軸ＡＸに対して垂直に設置された透明材質からなる平行平板ガラス（厚さｄ0、屈折率ｎ0）８の表面（撮像レンズ２と対向する側の面。以下、基準面Ｓ１とする）と、この基準面Ｓ１から光軸ＡＸに沿って距離ｚ′だけ離間した面（平行平板ガラス８の裏面或いは表面と裏面との間の断面。以下、参照面Ｓ２とする）とを被検体としてその像を撮像するものである。この第２実施形態に係る撮像装置２０は、上述の第１実施形態に係る撮像装置１と被検体のみが異なっており、図３及び図４では第１実施形態に係る撮像装置１と同一の構成品については同一の符号を付してある。
【００２１】
本撮像装置２０により上記二面Ｓ１，Ｓ２の撮像を行うには、先ず、挿入プレート３を撮像装置２０から取り外した状態において、平行平板ガラス８の基準面Ｓ１における光軸ＡＸ上の点（Ａ1）の像が結像面４上の点Ｐに結像されるように、平行平板ガラス８に対する撮像レンズ２及び結像面４の位置調整を行う。このとき点Ａ1から出て結像面４上に集光される光の光路は、図４における光軸ＡＸよりも上側の領域において示す光路Ａ1→Ａ4→撮像レンズ２内→Ａ5→Ｐとなる。
【００２２】
続いて挿入プレート３を平行平板ガラス８と撮像レンズ２との間に挿入設置すると、点Ａ1から出て結像面４上に集光される光の一部はこの挿入プレート３を通過するようになる。このように挿入プレート３を通過する光は挿入プレート３への入出射時に屈折するため点Ｐに集光されることはないが、代わりに、点Ａ1から光軸ＡＸ方向に距離ｚ′だけ離間した（撮像レンズ２から遠ざかる方向に離間した）光軸ＡＸ上の点Ｂ0から出た光の一部が挿入プレート３を通って、結像面４上の点Ｐに結像されるようになる。このとき点Ｂ0から出て結像面４上に集光される光の光路は、図４における光軸ＡＸよりも下側の領域において示す光路Ｂ0→平行平板ガラス８内→Ｂ1→Ｂ2→挿入プレート３内→Ｂ3→Ｂ4→撮像レンズ２内→Ｂ5→Ｐとなる。
【００２３】
ここで、平行平板ガラス８と撮像レンズ２との間に挿入される挿入プレート３の厚さ（ｄ1）及び屈折率（ｎ1）と、上記距離ｚ′との関係について述べる。
【００２４】
図４及び図５に示すように、点Ｂ0から出た光は平行平板ガラス８内をＢ0→Ｂ1と進んで平行平板ガラス８の表面（基準面Ｓ１）から出射し、ここで屈折した後、空気中をＢ1→Ｂ2と進んで挿入プレート３に入射する。挿入プレート３に入射した光はその入射時に屈折して挿入プレート３内をＢ2→Ｂ3と進んだ後、挿入プレート３から出射するときに更に屈折してＢ3→Ｂ4と進み、撮像レンズ２に入射する。ここで、光路Ｂ3−Ｂ4をＢ3側に延長した直線が光軸ＡＸと交わる点は点Ａ1に一致し、光路Ｂ1−Ｂ2は光路Ｂ3−Ｂ4と平行になる。また、光路Ｂ3−Ｂ4は点Ａ1から出て挿入プレート３を通らない光の光路（Ａ1→Ａ4）と同一となる。また、光路Ｂ1−Ｂ2をＢ1側に延長した直線が光軸ＡＸと交わる点をＣ0とすると、この点Ｃ0は第１実施形態における点Ｃ0と一致するので、上述の式（１）はそのまま満たされる。また、本実施形態では、線分Ｃ0Ａ1の長さと上記距離ｚ′とは、
Ｃ0Ａ1＝ｚ′／ｎ0    ・・・  （４）
の関係を満たすので、式（１）と式（４）より、
ｚ′＝Ｃ0Ａ1ｎ0＝ｎ0（１−１／ｎ1）ｄ1    ・・・  （５）
が導かれる。
【００２５】
すなわち、厚さがｄ1、屈折率がｎ1である透明な平行平板部材からなる挿入プレート３を平行平板ガラス８と撮像レンズ２との間に挿入し、点Ａ1から出て結像面４上に集光される光の一部が挿入プレート３を通過するようにすることにより、基準面Ｓ１上における点Ａ1の像と、挿入プレート３の厚さ（ｄ1）と屈折率（ｎ1）及び平行平板ガラス８の屈折率（ｎ0）に応じた上記距離ｚ′だけ点Ａ1から光軸ＡＸ方向に離間して位置した点Ｂ0の像とが、同時に、結像面４に結像される。そして、この結像面４上に映し出された像を撮像デバイス５により撮像すれば、被検体である両面Ｓ１，Ｓ２の像を同時に（同一ピントの画像として）得ることができる。また、撮像デバイス５により撮像された画像を図４に示す画像処理装置６において処理した後、ディスプレイ７上に視覚表示できるのは第１実施形態の場合と同様である。また、挿入プレート３はできるだけ撮像レンズ２に近接して設ける方が、撮像装置２０全体をコンパクトにし得る点で有利であるのも第１実施形態の場合と同様である。
【００２６】
ここで、上記距離ｚ′が平行平板ガラス８の厚さｄ0に一致するとき、参照面Ｓ２は平行平板ガラス８の裏面となる。すなわち、上式（５）においてｚ′＝ｄ0とすると、式
ｄ0＝ｎ0（１−１／ｎ1）ｄ1    ・・・  （６）
が得られるが、この式（６）を変形して得られる
ｄ1＝ｎ1ｄ0／｛ｎ0（ｎ1−１）｝  ・・・  （７）
の関係を満たす厚さ（ｄ1）及び屈折率（ｎ1）を有する挿入プレート３を平行平板ガラス８（基準面Ｓ１と）と撮像レンズ２との間に挿入し、点Ａ1から出て結像面４上に集光される光の一部が挿入プレート３を通過するようにすれば、平行平板ガラス８の基準面Ｓ１（平行平板ガラス８の表面）の像と、この基準面Ｓ１に対して光軸ＡＸ方向に距離ｄ0（平行平板ガラス８の厚さｄ0）だけ離間して位置した参照面Ｓ２（平行平板ガラス８の裏面）の像とが、同時に、結像面４に結像される。そして、この結像面４上に映し出された像を撮像デバイス５により撮像すれば、平行平板ガラス８の表裏両面の像を同時に（同一ピントの画像として）得ることができる。
【００２７】
図６は本発明の第３実施形態に係る撮像装置３０を示している。この撮像装置３０は、上述の第２実施形態において示した平行平板ガラス８における基準面Ｓ１と、この基準面Ｓ１から光軸ＡＸに沿って距離ｚ21だけ離間した第１参照面（平行平板ガラス８の断面）Ｓ２１と、基準面Ｓ１から光軸ＡＸに沿って距離ｚ22だけ離間した第２参照面（平行平板ガラス８の断面）Ｓ２２と、基準面Ｓ１から光軸ＡＸに沿って距離ｚ23だけ離間した第３参照面（平行平板ガラス８の断面或いは裏面）Ｓ２３とを被検体としてその像を撮像するものである（図８も参照）。この第３実施形態に係る撮像装置２０は、上述の第２実施形態に係る撮像装置２０と挿入プレートのみが異なっており（符号を２３とする）、図６及び図８では第２実施形態に係る撮像装置２０と同一の構成品については同一の符号を付してある。
【００２８】
この第３実施形態における挿入プレート３３は、図７に示すように、その形状が光軸ＡＸを中心とする円周方向に並んで配置された３つのセグメント、すなわち第１セグメントＤ１（厚さｄ21、屈折率ｎ21）、第２セグメントＤ２（厚さｄ22，屈折率ｎ22）、第３セグメントＤ３（厚さｄ23，屈折率ｎ23）を有する。そして、各セグメントＤ１，Ｄ２，Ｄ３は互いに厚さ及び屈折率が異なったものとなっている。なお、この挿入プレート３３の製造は、厚さｄ21及び屈折率ｎ21を有する扇形部材（第１セグメントＤ１に相当する部材）と、厚さｄ22及び屈折率ｎ22を有する扇形部材（第２セグメントＤ２に相当する部材）と，厚さｄ23及び屈折率ｎ23を有する扇形部材（第３セグメントＤ３に相当する部材）とがその頂角を一致させるように接合されて構成される。
【００２９】
このような撮像装置３０において、平行平板ガラス８における上記４面Ｓ１，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３の撮像を行うには、先ず、挿入プレート３３を撮像装置３０から取り外した状態において、平行平板ガラス８の基準面Ｓ１における光軸ＡＸ上の点（Ａ1）の像が結像面４上の点Ｐに結像されるように、平行平板ガラス８に対する撮像レンズ２及び結像面４の位置調整を行う。このときの点Ａ1から出て結像面４上に集光される光の光路は、図８（Ａ）における光軸ＡＸよりも上側の領域において示す光路Ａ1→Ａ4→撮像レンズ２内→Ａ5→Ｐとなる。
【００３０】
続いて挿入プレート３３を平行平板ガラス８と撮像レンズ２との間に挿入設置すると、点Ａ1から出て結像面４上に集光される光の一部はこの挿入プレート３３の第１セグメントＤ１を通過するために結像面４上に結像されなくなるが（理由は第２実施形態の場合と同様）、代わりに、点Ａ1から光軸ＡＸ方向に距離ｚ21だけ離間した（撮像レンズ２から遠ざかる方向に離間した）点Ｂ01から出た光の一部が結像面４上の点Ｐに結像されるようになる。このとき点Ｂ01から出て結像面４上に集光される光の光路は、図８（Ａ）における光軸ＡＸよりも下側の領域において示す光路Ｂ01→平行平板ガラス８内→Ｂ11→Ｂ21→挿入プレート３３内→Ｂ3→Ｂ4→撮像レンズ２内→Ｂ5→Ｐとなる。
【００３１】
同様に、点Ａ1から出て結像面４上に集光されていた光の一部は挿入プレート３３の第２セグメントＤ２を通過するために結像面４上に結像されなくなるが、代わりに、点Ａ1から光軸ＡＸ方向に距離ｚ22だけ離間した（撮像レンズ２から遠ざかる方向に離間した）点Ｂ02から出た光の一部が結像面４上の点Ｐに結像されるようになる。このとき点Ｂ02から出た光の光路は、図８（Ｂ）における光軸ＡＸよりも下側の領域において示す光路Ｂ02→平行平板ガラス８内→Ｂ12→Ｂ22→挿入プレート３３内→Ｂ3→Ｂ4→撮像レンズ２内→Ｂ5→Ｐとなる。また同様に、点Ａ1から出て結像面４上に集光されていた光の一部は挿入プレート３３の第３セグメントＤ３を通過するために結像面４上に結像されなくなるが、代わりに、点Ａ1から光軸ＡＸ方向に距離ｚ23だけ離間した（撮像レンズ２から遠ざかる方向に離間した）点Ｂ03から出た光の一部が結像面４上の点Ｐに結像されるようになる。
このとき点Ｂ03から出た光の光路は、図８（Ｃ）における光軸ＡＸよりも下側の領域において示す光路Ｂ03→平行平板ガラス８内→Ｂ13→Ｂ23→挿入プレート３３内→Ｂ3→Ｂ4→撮像レンズ２内→Ｂ5→Ｐとなる。
【００３２】
ここで、平行平板ガラス８と撮像レンズ２との間に挿入される挿入プレート３３の第１セグメントＤ１の厚さ（ｄ21）及び屈折率（ｎ21）と距離ｚ21との関係、第２セグメントＤ２の厚さ（ｄ22）及び屈折率（ｎ22）と距離ｚ22との関係、第３セグメントＤ３の厚さ（ｄ23）及び屈折率（ｎ23）と距離ｚ23との関係について述べる。
【００３３】
図８（Ａ）に示すように、点Ｂ01から出た光は平行平板ガラス８内をＢ01→Ｂ11と進んで平行平板ガラス８の表面（基準面Ｓ１）から出射し、ここで屈折した後、空気中をＢ11→Ｂ21と進んで挿入プレート３３に入射する。この挿入プレート３３に入射した光のうち第１セグメントＤ１に入射した光はその入射時に屈折して第１セグメントＤ１内をＢ21→Ｂ3と進んだ後、挿入プレート３３（第１セグメントＤ１）から出射するときに更に屈折してＢ3→Ｂ4と進み、撮像レンズ２に入射する。ここで、光路Ｂ3−Ｂ4をＢ3側に延長した直線が光軸ＡＸと交わる点は点Ａ1に一致し、光路Ｂ11−Ｂ21は光路Ｂ3−Ｂ4と平行になるので、前述の式（５）においてｚ′＝ｚ21、ｎ1＝ｎ21、ｄ1＝ｄ21とおくことにより、下の関係式が得られる。
ｚ21＝ｎ0（１−１／ｎ21）ｄ21    ・・・  （８）
【００３４】
また、図８（Ｂ）に示すように、点Ｂ02から出た光は平行平板ガラス８内をＢ02→Ｂ12と進んで平行平板ガラス８の表面（基準面Ｓ１）から出射し、ここで屈折した後、空気中をＢ12→Ｂ22と進んで挿入プレート３３に入射する。この挿入プレート３３に入射した光のうち第２セグメントＤ２に入射した光はその入射時に屈折して第２セグメントＤ２内をＢ22→Ｂ3と進んだ後、挿入プレート３３（第２セグメントＤ２）から出射するときに更に屈折してＢ3→Ｂ4と進み、撮像レンズ２に入射する。ここで、光路Ｂ3−Ｂ4をＢ3側に延長した直線が光軸ＡＸと交わる点は点Ａ1に一致し、光路Ｂ12−Ｂ22は光路Ｂ3−Ｂ4と平行になるので、前述の式（５）においてｚ′＝ｚ22、ｎ1＝ｎ22、ｄ1＝ｄ22とおくことにより、下の関係式が得られる。
ｚ22＝ｎ0（１−１／ｎ22）ｄ22    ・・・  （９）
【００３５】
また、図８（Ｃ）に示すように、点Ｂ03から出た光は平行平板ガラス８内をＢ03→Ｂ13と進んで平行平板ガラス８の表面（基準面Ｓ１）から出射し、ここで屈折した後、空気中をＢ13→Ｂ23と進んで挿入プレート３３に入射する。この挿入プレート３３に入射した光のうち第３セグメントＤ３に入射した光はその入射時に屈折して第３セグメントＤ３内をＢ23→Ｂ3と進んだ後、挿入プレート３３（第３セグメントＤ３）から出射するときに更に屈折してＢ3→Ｂ4と進み、撮像レンズ２に入射する。ここで、光路Ｂ3−Ｂ4をＢ3側に延長した直線が光軸ＡＸと交わる点は点Ａ1に一致し、光路Ｂ13−Ｂ23は光路Ｂ3−Ｂ4と平行になるので、前述の式（５）においてｚ′＝ｚ23、ｎ1＝ｎ23、ｄ1＝ｄ23とおくことにより、下の関係式が得られる。
ｚ23＝ｎ0（１−１／ｎ23）ｄ23    ・・・  （１０）
【００３６】
すなわち、厚さがｄ21で屈折率がｎ21である第１セグメントＤ１と、厚さがｄ22で屈折率がｎ22である第２セグメントＤ２と、厚さがｄ23で屈折率がｎ23である第３セグメントＤ３とを有してなる挿入プレート３３を平行平板ガラス８と撮像レンズ２との間に挿入し、点Ａ1から出て結像面４上に集光される光の一部がそれぞれ挿入プレート３３の第１セグメントＤ１、第２セグメントＤ２及び第３セグメントＤ３を通過するようにすることにより、基準面Ｓ１上における点Ａ1の像と、第１セグメントＤ１の厚さ（ｄ21）と屈折率（ｎ21）及び平行平板ガラス８の屈折率（ｎ0）に応じた上記距離ｚ21だけ点Ａ1から光軸ＡＸ方向に離間して位置した点Ｂ01の像と、第２セグメントＤ２の厚さ（ｄ22）と屈折率（ｎ22）及び平行平板ガラス８の屈折率（ｎ0）に応じた上記距離ｚ22だけ点Ａ1から光軸ＡＸ方向に離間して位置した点Ｂ02の像と、第３セグメントＤ３の厚さ（ｄ23）と屈折率（ｎ23）及び平行平板ガラス８の屈折率（ｎ0）に応じた上記距離ｚ23だけ点Ａ1から光軸ＡＸ方向に離間して位置した点Ｂ03の像とが、同時に、結像面４に結像される。
【００３７】
このため、上記のように結像面４上に映し出された像を撮像デバイス５により撮像すれば、平行平板ガラス８についての４つの面Ｓ１，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３の像を同時に（同一ピントの画像として）得ることができる。また、撮像デバイス５により撮像された画像を図６に示す画像処理装置６において処理した後、ディスプレイ７上に視覚表示できるのは第２実施形態の場合と同様である。また、挿入プレート３３はできるだけ撮像レンズ２に近接して設ける方が、撮像装置１全体をコンパクトにし得る点で有利であるのも第２実施形態の場合と同様である。
【００３８】
ここで、上記距離ｚ23が平行平板ガラス８の厚さｄ0に一致するとき、第３参照面Ｓ２３は平行平板ガラス８の裏面となる。すなわち、上式（１０）においてｚ23＝ｄ0とすると、式
ｄ0＝ｎ0（１−１／ｎ23）ｄ23  ・・・  （１１）
が得られるが、この式（１１）を変形して得られる
ｄ23＝ｎ23ｄ0／｛ｎ0（ｎ23−１）｝  ・・・  （１２）
の関係を満たす厚さ（ｄ23）及び屈折率（ｎ23）を有する第３セグメントＤ３を備えた挿入プレート３３を平行平板ガラス８（基準面Ｓ１）と撮像レンズ２との間に挿入し、点Ａ1から出て結像面４上に集光される光の一部が挿入プレート３を通過するようにすれば、平行平板ガラス８の基準面Ｓ１（平行平板ガラス８の表面）の像と、この基準面Ｓ１に対して光軸ＡＸ方向に距離ｄ0（平行平板ガラス８の厚さｄ0）だけ離間して位置した第３参照面Ｓ２３（平行平板ガラス８の裏面）の像とのほか、これら両面Ｓ１，Ｓ２３の間に位置する２つの断面（ｚ＝ｚ21の断面である第１参照面Ｓ２１とｚ＝ｚ22の断面である第２参照面Ｓ２２）の像をも同時に（同一ピントの画像として）撮像することができる。
【００３９】
また、この第３実施形態のように、一つの挿入プレート３が厚さ及び屈折率の異なる複数のセグメントを有しているような場合には、そのうちから選択した一つのセグメントを除く全てのセグメントを遮蔽し得るマスク（例えば、選択した一つのセグメントに対応する部分のみに開口が施された光軸ＡＸを回転中心とする回転自在な円盤）を挿入設置できる構成とすることが好ましい。このような構成であれば、選択したセグメントを透過した光のみを結像面４上に集光させることができるので、得られた画像のどの部分がどの被検体の像であるかを確認することが可能となる。
【００４０】
図９は本発明の第４実施形態に係る結像光学系を有した撮像装置４０を示している。この撮像装置４０は、上述の第２実施形態に係る撮像装置２０において、その撮像レンズのみが異なっており（符号を４２とする）、その撮像レンズ４２は物側にテレセントリック系若しくは両側テレセントリック系（アフォーカル）となる集光レンズとなっている。両側テレセントリック系はいかなる距離において結像しようとも近軸倍率は不変であり、常に近軸倍率はこの光学系の瞳倍率（望遠鏡倍率の逆数）となる。よって本実施形態に係る構成では、被検体の位置が光軸ＡＸ方向に多少ずれてもほぼ同一物高を見ることになるので、像面における影響を小さくできるという利点がある。
【００４１】
また、このような撮像レンズ４２を用いるとき、挿入プレート３を図９に示すように光軸ＡＸよりも下側に位置させた場合には、半円盤状の挿入プレート３を通過せずに結像面４上に結像する像は平行平板ガラス８の基準面Ｓ１（表面）の上半部であり、結像面４上にはこれと上下対称な像面下半分として結像される。また、挿入プレート３を通過したうえで結像面４上に結像する像は平行平板ガラス８の参照面Ｓ１（断面又は裏面）の下半部であり、結像面４上にはこれと上下対称な像面上半分として結像される。よって、この状態で結像面４上の像を撮像すると離間した物体の上下それぞれの部位から発した光線（光束）により、上下別々に物体の像が合成され、全体の像が得られるが、その像は、下半分が平行平板ガラス８の基準面Ｓ１の上半部のみの像、上半部は平行平板ガラス８の参照面Ｓ２の下半部のみの像となる。したがって、本実施形態に係る撮像装置４０では、挿入プレート３を光軸ＡＸまわりに回転させることができるようになっており、これにより例えば挿入プレート３を光軸ＡＸよりも下側に位置させた状態で撮像デバイス５により先ず１回目の撮像を行った後、続いて挿入プレート３を１８０度回転させた状態で（挿入プレート３を光軸ＡＸよりも上側に位置させた状態で）撮像デバイス５により２回目の撮像を行うことにより、結果として基準面Ｓ１の全域と参照面Ｓ１の全域との同時撮像を行うことができる。なお、上記挿入プレート３の回転は、例えば挿入プレート３を、光軸ＡＸを中心に回転可能な外歯付きの筒状のドラム部材内に収容した上で、そのドラム部材の外部に噛合したピニオンを電動モータ等により駆動することにより実現することができる。
【００４２】
図１０は第５実施形態に係る撮像装置５０であり、上記第４実施形態に係る撮像装置４０を筐体Ｃ内に収容した状態で示すものである。但し、撮像レンズ４２は複数のレンズからなっているものとする（後述の第６及び第７実施形態においても同様）。この撮像装置５０における筐体Ｃは撮像レンズ４２を収容した第１筐体Ｃ１と、挿入プレート３を収容した第２筐体Ｃ２と、撮像デバイス５を収容した第３筐体Ｃ３とが結合されてなる。撮像レンズ４２の中間部には光量調節等を行うための開口絞りＳが設けられており、第２筐体Ｃ２内の挿入プレート３は筐体Ｃの外部に設けられたプレート回転制御装置９から光軸ＡＸまわりの回転制御を行うことができるようになっている。第１筐体Ｃ１と第２筐体Ｃ２とは筐体結合手段Ｊ１により結合され、第１筐体Ｃ１と第３筐体Ｃ３とは筐体結合手段Ｊ２により結合されるが、このような構成とすることにより、撮像レンズ４２及び挿入プレート３が撮像デバイス５に対して着脱自在となり、被検体の種類や寸法等に応じてこれらを差し替え等することが可能である。このため第４実施形態に係る撮像装置４０のみでなく、その他の実施形態に係る撮像装置１，２０，３０もこのような筐体Ｃに収容した状態で使用することが可能である（下に示す第６及び第７実施形態においても同様）。
【００４３】
図１１は第６実施形態に係る撮像装置６０である。上述の第１〜第５実施形態に係る撮像装置１，２０，３０，４０，５０では全て挿入プレートが撮像レンズの前方に位置したフロントコンバータータイプであったが、この第６実施形態に係る撮像装置６０では、挿入プレート３が撮像レンズ４２の後方に位置したリアコンバータータイプとなっている。すなわち、この撮像装置６０では、第５実施形態に係る撮像装置５０において撮像レンズ４２を収容した第１筐体Ｃ１を、挿入プレート３を収容した第２筐体Ｃ２の前方に配置するとともに、挿入プレート３と結像面４（撮像デバイス５）との間の距離を稼ぐため、必要に応じて、第２筐体Ｃ２と第３筐体Ｃ３との間に内部が空洞となった中間筐体Ｃ４が介装されている。そして、第１筐体Ｃ１、第２筐体Ｃ２及び中間筐体Ｃ４をこの順で筐体結合手段Ｊ１により結合するとともに、中間筐体C４と第３筐体C３とを筐体結合手段Ｊ２により結合している。そして、撮像レンズ４２の中間部には光量調節等を行うための開口絞りＳが設けられており、第２筐体Ｃ２内の挿入プレート３は筐体Ｃの外部に設けられたプレート回転制御装置９から光軸ＡＸまわりの回転制御を行うことができるようになっている。
【００４４】
なお、このように撮像レンズ４２の後方に挿入プレート３を挿入設置しても、撮像レンズ４２の前方に挿入プレート３を挿入した場合と同様の効果が得られるのは、図１２のように撮像レンズＬの前方に半円盤状の挿入プレートＰＬを挿入した場合、光軸ＡＸ上の点Ａから出た光のうち挿入プレートＰＬを通過しないものは光軸ＡＸ上の点Ｐ１に集光し（図１２において光軸ＡＸよりも上側の領域に二点鎖線にて示す光路参照）、点Ａから出た光のうち挿入プレートＰＬを通過するものは光軸ＡＸ上であって点Ｐ１よりも遠い点Ｐ２に集光する（図１２において光軸ＡＸよりも下側の領域に実線にて示す光路参照。破線で示す光路は挿入プレートＰＬがないとした場合の光路を示す）が、光路可逆の法則によれば、点Ｐ１から出た光のうち挿入プレートＰＬ通過するものは点Ａに集光し、点Ｐ２から出た光のうち挿入プレートＰＬを通過するものも点Ａに集光することから容易に分かる。
【００４５】
図１３は第７実施形態に係る撮像装置７０である。この撮像装置７０は上述の第１〜第６実施形態に係る撮像装置１，２０，３０，４０，５０，６０と異なり、２つの撮像レンズ（前方撮像レンズ４２ａ及び後方撮像レンズ４２ｂ）が挿入プレート３の前後それぞれに配置されたタイプとなっている。この撮像装置７０は、第５実施形態に係る撮像装置５０において撮像レンズ４２を収容した第１筐体Ｃ１の代わりに、前方撮像レンズ４２ａを収容した第１前方筐体C１ａと、後方撮像レンズ４２ｂを収容した第１後方筐体C１ｂとを有しており、これら第１前方筐体C１ａと第１後方筐体C１ｂとを挿入プレート３を収容した第２筐体Ｃ２の前後に配置してこれら３つの筐体Ｃ１ａ，Ｃ２，C１ｂをこの順で筐体結合手段Ｊ１により結合するとともに、第１後方筐体C１ｂと第３筐体C３とを筐体結合手段Ｊ２により結合している。そして、挿入プレート３の直後の位置には光量調節等を行うための開口絞りＳが設けられており、第２筐体Ｃ２内の挿入プレート３は筐体Ｃの外部に設けられたプレート回転制御装置９から光軸ＡＸまわりの回転制御を行うことができるようになっている。このような構成では、開口絞りＳの近傍位置に挿入プレート３を配置することができるので、より一層の画質の向上を図ることができる。
【００４６】
上記第５〜第７実施形態に係る撮像装置５０，６０，７０は第４実施形態に係る撮像装置４０をベースに構成されるものであるが、第１〜第３実施形態に係る撮像装置１，２０，３０をベースに構成することも勿論可能である。また、第１〜第３実施形態に係る撮像装置１，２０，３０においても、第４実施形態に係る撮像装置４０の場合と同様に、挿入プレート３を回転できる構成であることが好ましく、挿入プレート３を適当な速度で回転させつつ画像を撮像すれば、撮像画像内の光量分布の均一化を図ることができ、より良好な画像を得ることが可能である。また、互いに異なる面からの像に対し、そのデフォーカス像（ボケ光束の形状）の対称性が良くなるので、見かけ上、これを目立ちにくくすることもできる。更には、挿入プレート３の回転周期の同期信号を画像処理装置６に取り込み、これを撮像デバイス５の受光と同期させて画像取り込みをすることにより更に良質な画像を得ることができる。
【００４７】
これまで述べたように、本発明に係る結像光学系では、一つの被検体（被検体Ｑ１或いは平行平板ガラス８の基準面Ｓ１）と結像面４との間に透明な平行平板部材からなる挿入プレート（挿入プレート３或いは挿入プレート３３）を介装するとともに、この被検体から出て結像面４上に集光される光の一部が挿入プレートを通過するようにすることにより、被検体の像と、この被検体から挿入プレートの厚さ及び屈折率に応じた距離だけ光軸方向に離間した他の被検体の像（被検体Ｑ２或いは平行平板ガラス１０の参照面Ｓ２等）とを、同時に、同一の結像面４上に結像させることができるようになっている。このため本発明に係る結像光学系によれば、光量(開口数)及び解像度の低下を伴うことなく結像面上に同時に結合させることができる。また、本発明に係る撮像装置１，２０，３０，４０，５０，６０，７０によれば、上記本発明に係る結像光学系により結像された画像を撮像する構成であるので、解像度の高い良好な画質の画像を得ることができる。なお、上述の実施形態に係る結像光学系において、挿入プレート３（或いは挿入プレート３３）としてアフォーカル光学系を光軸ＡＸに垂直な面内で半円形、扇形等に切断したものをセグメントとして用いることにより、光軸方向に離間した位置に配置された被検体を同時に結像面４に結像する結像光学系を構成することもできる。
なお、被検体Ｑ1のピンと面上でのＰでの像に対して、被検体Ｑ２の像は挿入プレート３の同一のセグメントを通過した光束による結像はでデフォーカス像として害を及ぼす。このデフォーカス光束を遮蔽するため、微細なピンホールをピント面の全体に適宜、多数配置したマスクとフィールドレンズを挿入する。このマスクとフィールドレンズを通過した光束を取り込み、後続の再結像光学系にてマスク面を結像し、撮像する。また、ピント面近傍にマイクロアレー等を配置した多様なコンフォーカルシステム等を構成することによっても、同様にデフォーカス光束を遮蔽し、より鮮明な像を得ることができる。
【００４８】
また、上記第３実施形態において示したように、挿入プレートが、光軸ＡＸを中心とする円周方向に並んで配置された複数のセグメントの結合からなるとともに、これら複数のセグメントそれぞれの厚さ及び屈折率が互いに異なっているのであれば、３つ以上の被検体を同時に結像させることが可能となる。
【００４９】
また、上記第５〜第７実施形態において示したように、結像光学系を構成する挿入プレート３及び挿入プレート３以外の一又は複数の光学素子（撮像レンズ４２や開口絞りＳなど）が互いに分離可能なモジュールとして構成されており、各モジュールが撮像装置５０，６０，７０の光軸ＡＸに対して配置の変更が可能になっているのであれば、使用環境に合わせてモジュール配置の組換えを適宜行うことによりその撮像装置に最適の光学特性を発揮させることができるようになるので、使い勝手が良くなるという利点がある。また、前述したように、挿入プレート３を開口絞りＳの近傍位置に設けることにより画質の向上を図ることができるが、挿入プレート３及びその他の光学素子がモジュール化されていれば、挿入プレート３と開口絞りＳとの配置関係の変更が容易になる。
【００５０】
これまで第１〜第７実施形態では、上述の実施形態においては、撮像装置によって撮像される対象は平行平板ガラスとして説明したが、これは一例であり、透明な平行平板部材であればその材料は必ずしもガラスである必要はない。また、上述の実施形態においては、本発明に係る結像光学系が、この結像光学系により結像された像を撮像装置により撮像する撮像装置に組み込まれたものとして説明したが、本発明に係る結像光学系は上記撮像装置に限られず、投射レンズや結像面上に結像された像を顕微鏡等により観察する観察装置等に組み込んで用いることも可能である。
【００５１】
（第８実施形態）
第１〜第７実施形態では、結像光学系に平行平板ガラスを挿入した結像光学系の実施形態であったが、第８実施形態以降の実施形態は、レンズを複数の領域に分割し、それぞれを光軸方向にずらして配置する結像光学系の実施形態を示す。
まず物空間と光学系の幾何光学的な焦点深度と被写体深度について図１４、図１５を参照しながら説明する。図１４は撮像レンズＬによる結像関係を説明したものである。配置１は基準合焦状態と物点が近づいたときでの像点の移動状態を示している。配置２は移動した物点にレンズＬが繰り出され合焦した状態であり、像面が配置１の状態になっている。このとき、レンズＬが配置１の状態と比較して物点と像点の移動量を示している。
【００５２】
図１５は撮像レンズＬの焦点深度と被写体深度との幾何光学的配置の関係を示している。それぞれ像側，物側におけるデフォーカス量と最小錯乱円（像側解像サイズ）の関連を表示している。
像空間の屈折率媒体が同一のとき、光学系の幾何光学的な焦点深度と被写体深度は２組の共役点のピントの位置とその差（ボケ量）で表すことができる。２組の共役点を結ぶ関係式はよく知られている。光学的な諸元は図１４に示す通りである。任意の共役点を原点とした結像関係の式は(２１) 式の様になる。
βo/Ｌ'−１/(βo Ｌ)＝１/ｆ'             (２１)
光学系の焦点距離をｆ'、結像における基準点と合焦点との相互の距離(Ｌ,Ｌ')は物体空間と像空間とにおいてそれぞれ(２２)、(２３) 式の様になる。但し基準原点の近軸倍率はβo、目標とする合焦点の近軸倍率はβとする。
Ｌ＝ｆ'(1/β−1/βo)≡ΔＬ           (２２)
Ｌ'＝−ｆ'(β−βo )≡ΔＬ'          (２３)
主点が原点のときβo ＝１であり、よく知られた結像方程式が得られる。
【００５３】
しかし、ここで目標とする基準ピント位置(ｏ1ｏ1’)における近軸倍率をβoとし、深度を考慮するデフォーカス点（ ｏ2ｏ2’）における近軸倍率をβとすると(２３)式は、片側の被写体深度と焦点深度を表現したことになる。
レンズによるフォーカスプロセスを具体的に説明する。デフォーカス物点ｏ2にフォーカスするということは、レンズを物側にΔＸ-だけ移動することにより、デフォーカス像点ｏ2’から合焦像点ｏ3’へ移動させることと等価である。このときデフォーカス物点ｏ2は合焦物点ｏ3となる。この様なプロセスで合焦が完了する。但し、配置ｏ4ｏ4’は配置ｏ1ｏ1’をレンズと共役点ともにΔＸ-だけ平行移動し、その結果、配置ｏ4ｏ4’は配置ｏ3ｏ3’とのデフォーカス関係を明確にするための等価な基準配置である。
【００５４】
ここでは基準配置ｏ4ｏ4’と合焦完了状態（ｏ3ｏ3’）とにおいて、撮像レンズ配置に対する共役点の移動関係を表示している。なおこれらの状態におけるデフォーカス関係はΔＬ(ｏ1ｏ2)をΔＬ(ｏ4ｏ3)＝−ΔＸ＋Δｓ、ΔＬ'(ｏ1’ｏ2’)をΔＬ'(ｏ4’ｏ3’)＝−ΔＸとしたものになっている。これらの関係ΔＬ、ΔＬ'は常に(２４)式を満足している。
(２１) 式を(２２)、(２３) 式のΔL、ΔL'で表現し直すと、(２４) 式の様に表現できる。
ΔＬ＝ΔＬ'/[βo2(1−ΔＬ'/βoｆ')]             (２４)
一方レンズによる結像点において片側焦点深度は(２５) 式の様に表される。
ΔL'(±)＝±εＦN                              (２５)
但し、εは最小( 許容) 錯乱円の直径、ＦＮは実効Ｆナンバーである。
(２４) 式に(２５) を代入することにより、片側被写体焦点深度(２６) 式が得られる。
ΔL(±)＝±εＦN/[βo2([1−( ±εＦN/βo f') ]   (２６)
【００５５】
(２１) 式の基準(原点) 倍率を着目している点のピント倍率をβo と見なし、アウトフォーカス点の位置における合焦したとして、この点のピント倍率をβと見なすことにより(２６) 式が表現されている。
焦点深度は(２５) 式の前側焦点深度と後側焦点深度の差として(２７) 式として表わされる。
Δ'＝ΔＬ+'−ΔＬ-'＝2εＦN                (２７)
被写体深度は (２４)式より|ΔＬ'/βoｆ'|≪1のとき、(２６) 式の前側被写体深度ΔＬ+ と後側被写体深度ΔＬ-の差として(２８) 式として表現できる。
Δ＝ΔＬ+−ΔＬ-≡2εＦN/βo2             (２８)
高解像レンズ、大口径比レンズ、高倍率レンズにおいて深い被写体深度が要求されるが、一見して、原理的にこの要求を同時に求めることは困難である。
【００５６】
(２８) 式から理解できる様に、かなり制限があることが理解できる。高解像の光学系は許容錯乱円のサイズεが小さくなる。明るい光学系はＦＮが小さくなる。光学系による撮影倍率βo が大きくなるとその絶対値が大きくなる。撮影距離が一定のもとで焦点距離ｆ'が長い光学系も同様に縦倍率βo2が大きくなる。それ故、このような場合はいずれも原理的に被写体深度は浅くなる。単焦点レンズで合焦がレンズを全体繰り出すことにて達成するものにおいて、レンズの実効Ｆナンバーは（２９）式で表される。
ＦＮ＝Fo(1−βo/βｐ2)        （２９）
Ｆo は無限遠撮影時のＦナンバー、βｐは撮像光学系の瞳倍率である。有限距離配置の光学系のおいてＦナンバーとは実効Ｆ ナンバーが重要な意味を有する。これを単にＦナンバーと言うことにする。
【００５７】
一般に、結像関係のレンズ諸元を表記するため、長さの座標原点を主点に選ぶことにする。レンズの撮影距離( 物点から像点までの距離) のことを共役長Ｒ（例 ｏ2ｏ2’,ｏ3ｏ3’）いう。目標とする共役点の結像倍率をβ→βoとしその原点Ｈ、Ｈ'( 主点) の倍率はβo→βH＝１であるので、(２３)、(２２) 式の差と主点間隔ＨＨ'の和が共役長Ｒ0＝ｏ1ｏ1’となる。
Ｒ0＝Ｌ'＋ＨＨ'−Ｌ = −ｆ'(βo−βH )＋ＨＨ'−ｆ'(1/βo−1/βH)
＝ｆ'(１−βo)＋ＨＨ'＋ｆ'(１−1/βo)          (３０)
Ｒ＝ΔＬ'＋Ｒ0−ΔＬ = −ｆ'(β−βo )＋Ｒ0−ｆ'(1/β−1/βo)
＝ ｆ'(βo −β)＋Ｒ0＋ｆ'(1/βo−1/β)
＝ΔＬ'＋Ｌ'＋ＨＨ'−(Ｌ＋ΔＬ)                  (３１)
但し、図１４において、ここではＲ＝ｏ2ｏ2’である。
物側、像側開口数をそれぞれＮＡ、ＮＡ'とすると光学系に正弦条件が成立しているとき、βo＝ｎsin・θ/ｎ'sinθ'であり、βoの絶体値をとると｜βo｜＝ＮＡ/ＮＡ'となる関係がある。このとき(物側) 開口数、像側開口数はそれぞれＮＡ＝ｎ sinθ、ＮＡ'＝ｎ'sinθ' となる。
【００５８】
実効Ｆナンバーは幾何光学的にＦＮ=1/(２tanθ')として表現される。明るい光学系のとき一般に ＮＡ'＝１/[(1+(２ＦＮ) 2) 1/2となる換算がなされる。幾何光学的にはＮＡ'≪１のときには以下の如くなる。
ＦＮ＝[(１/(ＮＡ') 2−１) 1/2/２   ≒  １/(２ＮＡ')         (３２)
次に第８実施形態に使用するレンズを説明する。本実施形態は１つの凸レンズを、光軸を通る線で２つの部分に切断し、分割した一方の部分を光軸上でずらす。この２分割合成素子光学系を使用した結像光学系である本実施形態で使用するレンズの分割方法を、図１７に示す。図１７には２分割した合成素子光学系１１０の幾何学的配置状態と結像関係を示してある。２分割した断片要素光学系からなる合成素子光学系１１０の各成分の異なる位置配置と、半円形形状を有する断片要素光学系Ａ0、Ａ1を合成した配置である。
【００５９】
合成素子光学系１１０、２分割方位分角(Φ0,Φ1) の構造と結像関係を後述する図１６に対応づけ、被写体位置の相互の関係式を示している。図１７（ａ）に光軸方向から見た正面図、（ｂ）に光軸に垂直な方向から見た側面図を示す。
合成素子光学系１１０は、両側に凸の正の屈折力を有するレンズを、光軸を含む断面で、光軸を中心に断片要素光学系Ａ0、Ａ1に２分割（放射状に角度分割切断）した光学系である。この断片要素光学系Ａ0、Ａ1を図１７（ｂ）に示すように光軸上で、特定量Ｄだけずらして配置する。断片要素光学系Ａ0、Ａ1動径方向の断面内において、光軸を中心とする半円状の入射光束を取り込み、各断片要素光学系は光軸に垂直な断面内で互いに重なることなく配置されている。
【００６０】
光軸を中心軸とし切断分割した複数の光学系の断片からなる要素光学系を再合成し、共軸光学系を構成することが可能である。さらに共軸結像が可能な潜在的機能を有する光学系において、前述した断片要素光学系の各方位断片部分を光軸に沿って相互に自在に配置し、各断片要素光学系にて結像可能な光学系を含む光学系を構成する。
なお、これらの断片要素光学系は同一の屈折力を有している方が最適であるが、異なる屈折力を有していても構わない。また、各断片要素光学系は撮影距離に応じ撮影倍率は変化してもかまわない。また本実施形態では両凸レンズの例を示したが、レンズはこれに限られず両凹レンズ、平凸レンズ、平凹レンズ、接合レンズなどでも構わない。
【００６１】
図１８にレンズを４つに分割した実施形態を示す。図１８（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図を示し、対応する共役点（０、０'）と結像関係を示したものである。レンズを４つに分割し、扇形の中心角は９０°であり、断片要素光学系Ａ2、Ａ3、Ａ4、Ａ5は光軸上にずらして配置してある。レンズの厚さをＤとし、Ａ2の位置を基準とし、断片要素光学系Ａ3、Ａ4、Ａ5をそれぞれ光軸上に−Ｄ、−２Ｄ、−３Ｄだけずらして配置する。
分割数や断片要素光学系を移動させる距離は、解像力や目的に応じ、またカバーする深度範囲や取り込まれる光量の程度により、最適化が可能である。なお、断片要素光学系による分割波面は必ずしも撮像光学系の光束全断面を覆う必要はない。
光軸に沿って異なる位置に配置された複数の被写体とその位置差に対応し、光学系による像面を一定にするため、複数の断片要素光学系が光軸に沿って相互に合焦移動する。これらの断片要素光学系は被写体と撮像面との間に複数、同時に光束断面内の光軸を中心軸とした各方位部分に重なることなく配置されている。
【００６２】
このため、光軸に沿って異なる位置に配置された複数の被写体を同時に撮像することが可能な光学系を構成することができる。複数の各被写体位置にフォーカスした前述の各断片要素光学系のフォーカス配置状態にある各要素光学系は、いわゆる断片各部分を合成接合配置され、合成素子光学系としたものである。いずれも、有限距離結像系を容易に構成できる。
【００６３】
この合成素子光学系は、任意の形状断面を有する同一焦点距離の光学系からなる非アフォーカル光学素子断片を合成構成していてもかまわない。これらの断片要素光学系（光学素子断片）は共軸光学系を光軸に対し、放射状に等角分割したものである。それぞれ同等に部分切り出し作成され、これらの断片を重なることなく方位をずらしつつ、各物体面のフォーカス配置に対応した配置にこれらの断片要素光学系をずらし、合成接合構成する。このようにして同一焦点距離の光学素子断片からなる合成光学素子を容易に製造可能である。このようにして、同時に多重フォーカスが可能であり、かつ、超被写体深度の範囲をより拡大することができる。
【００６４】
光軸に沿って厚みのある透明被写体とその被写体物体の各断面の位置差に対応した像面を固定するため、複数の断片要素光学系が光軸に沿って相互に合焦移動し、被写体と撮像面との間に複数、同時にその断片要素光学系を撮像光学系の光束断面内の光軸を中心軸とした各方位部分に配置し、異なる位置に配置された複数の被写体を同時に撮像することが容易に可能である。
【００６５】
光軸に沿って被写体とその物体の各断面の位置差に対応した像面を同一の位置にするため、複数の断片要素光学系が光軸に沿って相互に合焦移動し、被写体と撮像面との間に複数、同時にその断片要素光学系を撮像光学系の光束断面内の光軸を中心軸とした各方位部分に配置する。さらに、この合焦移動に伴う結像性能の劣化を防止するため、これらの断片要素光学系のレンズ成分のレンズ間隔を相互に変化させ、各断片要素光学系の収差変動を抑えることにより、基準配置での結像性能をある程度、確保することが可能である。
【００６６】
このようにして異なる位置に配置された複数の被写体を同時に良好な画質にて撮像することが可能である。ただし、レンズ成分の間隔変更にて屈折力が大きく変化することを避ける必要がある。
このように深度範囲を拡大したため、合成素子光学系によって各種収差が発生する。それ故、この合成素子光学系は複数のレンズ成分や非球面等にて構成し、これらの収差を補正することができる。特に、色収差や球面収差、像面湾曲、コマ収差、歪曲収差の補正が必要となる。また、結像性能を優先するときは、超被写体深度の範囲をあまり広くせず、合成光学素子の倍率（近軸横倍率）を適度に等倍近くに設定するなどの手段で対応することができる。
【００６７】
なお、超深度光学系を実現するとき、それぞれの被写体を撮像した倍率が変化することは不都合である。なぜならば、それぞれの合焦状態で像の大きさが微妙に変化し、重なるため、輪郭、形状等の微細な構造を判断するのに不適当である。一般に、屈折力を有する光学系にて異なる位置にある被写体を撮像すると、撮像倍率が変化する。この倍率変化に発生した不都合は画像処理等で解消可能である。
【００６８】
（第９実施形態）
次にアフォーカル光学系の実施形態について説明する。
アフォーカル光学系あるいはテレセントリック光学系の光軸を含む断面で、光軸を中心に放射状に角度分割切断し、これらの切断された光学素子を光軸に沿って再配置された光学系を考えることにする。光軸を含む断面を有し光軸を中心軸とし、光学系を切断分割した複数の光学系の断片からなる要素光学系を合成する。このとき、断片要素光学系の全集合体は共軸光学系を構成することが可能で、かつ共軸結像が可能なアフォーカル光学系を構成できる潜在的機能がある。前述した断片要素光学系の各方位断片部分を光軸に沿って相互に自在に配置する。
【００６９】
しかも、光軸に沿って異なる位置に配置された複数の被写体と、その位置差に対応し、それぞれの位置へ同時にフォーカスした断片要素光学系各部分からなる合成素子光学系が構成されている。この合成素子光学系はアフォーカル光学系もしくはテレセントリック光学系を構成している。被写体と撮像面との間において、撮像光学系の光軸を基準とした入射光束断面内の各方位部分に前述した合成素子光学系の断片要素光学系の各部分が光軸方向と動径方向にそれぞれ適宜配置合成されている。
【００７０】
このため、異なる位置に配置された複数の被写体を同時に撮像することが可能な光学系を構成することができる。このような目的のため、最適な光学系はアフォーカル光学系（望遠鏡系）である。本発明が目的とする利点の一つは、アフォーカル光学系は全体移動による合焦して近軸横倍率が不変であることである。即ち、この合成素子光学系Ａは如何なる距離に結像しようとも、常に近軸横倍率はこの光学系の瞳倍率（望遠鏡倍率の逆数）となっている。超深度を確保するため、このタイプ光学系を採用し、同時多重合焦状態を構成することによって、実用的な超深度光学系を実現可能である。
【００７１】
まずアフォーカル光学系の結像関係について説明する。図１６はアフォーカル光学系による結像関係を説明したものである。配置１は基準合焦状態と物点が近づいたとき、像点の移動状態を示している。配置２は移動した物点にレンズＬが繰り出され合焦した状態であり、像面が配置１の状態になっている。このとき、レンズが配置１の状態と比較し物点，像点が如何なる移動量になるかを示している。
【００７２】
図１６に示すようにアフォーカル光学系は、図１４に示した通常の光学系とほぼ同様な結像関係が存在する。アフォーカル光学系は全体の屈折力は１/ｆA’＝０である。全体で２群構成であるとき、第１レンズ群の焦点距離をｆ1’、第２レンズ群の焦点距離をｆ2’、主点間隔をｄとする。媒質の屈折率が物空間と像空間で同一のときとする。それぞれの関係は以下の通りである。
１／ｆA’＝１／ｆ1’＋１／ｆ2’−１／（ｆ1’ｆ2’）＝０
よりｄ＝ｆ1’＋ｆ2’となる。
【００７３】
これらの式と(２１)式から明らかな様に、近軸角倍率γPA’は以下の様に表される。軸外から角度ｕで入射した平行光線束は光学系により屈折され軸外へ平行光線束とし角度ｕ'射出していく。このとき光軸と交わる一本の光線を代表させ、その交点Ｐ、Ｐ'がこの光学系による物空間と像空間における共役点である。その共役点の関係に注目する。
γPA＝ｕ’/ｕ＝−ｆ1’/ｆ2’、γPA＝１／βPAとなる。
この共役点を原点として物体と像との距離をそれぞれＳ、Ｓ'として測る。望遠鏡系を構成している合成光学系の結像方程式は以下の如く表される。ただし、長さの符号は基準点より左右方向をそれぞれ−、＋として長さを定義する。アフォーカル光学系において、(２１)式は以下の如くなる。
βPA／Ｓ’−１／（βPAＳ）＝１／ｆＡ’＝０
Ｓ’＝βPA2Ｓ                                            （３３）
これは望遠鏡系の近軸縦倍率αPA＝Ｓ'/Ｓ 、 αPA＝βPA2を示している。一般に共役点において近軸縦倍率αと近軸角倍率γと近軸横倍率βは、相互にβ／γ＝αの関係がある。
【００７４】
任意の有限距離配置において物点距離Ｓと像点距離Ｓ'との比である近軸縦倍率αP'は常に一定である。それ故、近軸横倍率βP'も一定である。
βPA2＝Ｓ’／Ｓ
βPA＝−ｆ2’／ｆ1’＝１／γPA                      （３４）
アフォーカル光学系の屈折力は１/ｆA'＝０であることから、この有限距離配置におけるアフォーカル光学系の各レンズ群が担う横倍率をそれぞれβ1'、β2'とすると以下の如く関係が成立している。
１／ｆA’＝１／（β2’ｆ1’）+β1/ｆ2’＝０
従って  βPA＝β1β2＝−ｆ2’／ｆ1’を満たしている。
アフォーカル光学系の有限距離撮像配置における深度について考えることにする。空間的にアフォーカル光学系が固定され、撮影時において物点がΔＳ だけアフォーカル光学系の撮影基準点から移動したとする。このとき、その像点も基準像点の位置から ΔＳ'だけ移動したときＳとＳ'との関係は同様に、以下の関係がある。
【００７５】
すなわち、アフォーカル光学系において、(２４)式は以下のように表される。
ΔＳ=ΔＳ'/βPA2
Ｓ＋ΔＳ=(Ｓ'＋ΔＳ')/βPA2                         (３６)
ただし、Ｓ、Ｓ'は必ず、共役点を原点とする測り方をするものとする。アフォーカルレンズによる結像点において片側焦点深度は(２５)より (３７) 式の様に表される。
ΔＳ'±＝±εA/２ＮＡ'                                (３７)
但し、εAはアフォーカル光学系による最小( 許容) 錯乱円の直径、像側開口数ＮＡA'である。(３６) 式に(３７) を代入することにより、片側被写体焦点深度(３８) 式が得られる。
ΔＳ(±)＝±εA/(２ＮＡA'βPA2)   (３８)
(３６) 式は基準(原点) 倍率も着目している点のピント倍率もすべてβPA となる。
アウトフォーカス点の位置における合焦したとしてもピント倍率はβPAとなる。焦点深度は(３７) 式の前側焦点深度と後側焦点深度の差として(３９) 式として表わされる。
ΔＡ'＝ ΔＳ+'−ΔＳ-'＝εA/ＮＡA'                (３９)
【００７６】
被写体深度は(３８) 式の前側被写体深度ΔＳ+と後側被写体深度ΔＳ-の差の(４０) 式として表現できる。
ΔＡ＝ΔＳ+−ΔＳ-≒εA/(ＮＡA'βPA2)          (４０)
アフォーカル光学系は(３３)式のごとく屈折力がないのでデフォーカス量の関係(３６)式が非常に単純であり、理論的取り扱い易い。これらの合成光学系を取り扱う時も、同様に単純である。
【００７７】
一方、この像点移動量ΔＳ'をアフォーカル光学系 の移動ΔＸにて打ち消すためには(４１)式の如き関係を得る。図１６の配置２においてΔＳ'＝−ΔＸ 、ΔＳ＝Δｓ−ΔＸ とし、(３６)式より、物点は基準点からのズレ量Δｓは以下の様になる。その結果、像面を固定することができる。
Δｓ＝ΔＸ(１−１/βPA2)                            (４１)
(４１)式は基準レンズが物側にΔX（−）だけフォーカス移動したとき合焦物点がΔｓ（＋）だけシフトし、レンズ側へ更に近づいたことを示している。βPA＝±１のときレンズを移動させても、物点も像点は移動しない。
【００７８】
それ故、レンズを移動させて、像点を固定して、撮像物点の位置を変化させるためには、適度な近軸横倍率の値（１/βPA2＜１）が必要である。近軸角倍率γPA＝１/βPAは望遠鏡倍率に等しい。γPAを大きくすれば、大きいフォーカスのシフトΔｓ（−）を得ることができる。これらのシフトした物点に対応し複数の光学系をそれぞれ配置し、同時にフォーカスすれば、大きく隔たったところにも同時にフォーカスが可能となる。この複数の光学系に本発明のごとき断片要素光学系を対応づけ合成する。このことにより、多重フォーカスが実現でき、大きく被写体深度を稼ぐことができる。
【００７９】
大口径比レンズにおいて、深い被写体深度を要求される場合は(４０) 式から理解できるように、かなり制限がある。例えばεA一定のとき、明るい光学系はＮＡAが大きくなるが、被写体深度を確保したい。アフォーカルレンズの一定の移動量ΔＸに対し、アフォーカル光学系の担う撮影倍率βPAが小さいとき、物体点のシフト量|Δｓ|が大きくなる。それ故、フォーカスによって、実質的に深度を深くすることができる。
一定の条件のもとで高解像の光学系は許容錯乱円のサイズεAが小さい。被写体深度ΔＳが 浅いので、Δｓを大きくするため、βPA が小さくするか、移動量|ΔＸ|の値を大きくすれば良いことが理解できる。このようにして断片要素光学系を合成配置することにより、|Δｓ|≧|ΔＳ|とすることが容易に可能である。
【００８０】
これらの合成光学系を考えるとき、結像のプロセスを理解し易く解析するため、常に、各光学系が実像が結像して合成光学系を構成しているように図１６以降では表示している。しかし、象徴的ではあるが、結像関係の一般性は決して失われてはいない。
【００８１】
次にアフォーカル光学系を使用した本実施形態の光学系について説明する。図１９、図２１にフロントフォーカス方式の光学系構成を示す。この光学系は、第８実施形態で示した合成素子光学系１１０または１１１（アフォーカル光学系）が撮像光学系Ｌの前に装着されている。
基準配置における合成倍率βｃは（４２）式であらわされ、以下のごとくなる。      
βｃ＝βPAβo                                        (４２)
撮像光学系の焦点距離をｆ'とすると深度の式は以下の如く表される。
ΔＬ＝ΔＬ'/[βo2(1−ΔＬ'/βoｆ')]
ΔＳ'＝ΔＬ                                                 (４３)
ΔＳAM＝ΔＳ'/βPA2＝ΔＬ'/[βPA2βo2(1−ΔＬ'/βoｆ')]
ΔＳAM(±)＝±εＦN'/[βPA2βo2([1−( ±εＦN'/βo f') ]   (４４)
撮像光学系の物点移動とアフォーカル光学系の像点の移動量が等しく(４３)式の如くなる。合成光学系の像側ＮＡAM’ ≒１/(2ＦN')のとき 、合成倍率（４２）式を含み、 基準配置の物点の片側被写体深度ΔＳAMは(４４)として表される。
【００８２】
(２５)式から合成系ＦナンバーのＦN'を考慮し、合成系の焦点深度ΔAM'は(４５) 式の前側焦点深度と後側焦点深度の差として(４５) 式として表わされる。
ΔAM'＝ΔＬ+'−ΔＬ-'＝2εＦN'                     (４５)
合成系の被写体深度ΔAMは同様にして以下の如く表される。
ΔAM＝ΔＳAM+−ΔＳAM−≒２εＦN'/(βPA2βo2)   (４６)
但し、|ΔＬ'/βoｆ'|≪1のとき、(４６)の近似が成り立つ。一方、近似が成立しないとき、(４４)式を直接使用する。
【００８３】
また、合成系ＦナンバーのＦN'はアフォーカル光学系の像側ＮＡA’が撮像光学系の物側ＮＡより大きいとき撮像光学系にて制限される。しかし、アフォーカル光学系が暗い光学系のとき合成光学系の明るさはアフォーカル光学系にて制限された合成ＦナンバーＦN'となる。
ＮＡA’≧ ＮＡ のとき、ＦN'＝ＦN                        (４７)
ＮＡA’＜ ＮＡ のとき、ＦN' ＞ＦN                        (４８)
フロントフォーカス式の合成光学系において、(４１)式の如く、|Δｓ|＞|ΔＳAM|とすることが容易に可能である。本発明のごとき複数の断片要素光学系にて、これらの合成光学系を構成することにより、多重フォーカスが実現でき、深い被写体深度を稼ぐことができる。
【００８４】
フロントタイプの特徴として図１９、図２１から理解できる様に、フロントコンバーター部（合成素子光学系Ａ）を担う倍率βPAで物点が移動し、デフォーカスしようとも、不変である。しかし、撮像レンズの物点が移動する。これを、相殺するため、断片要素光学系からなる分割されたコンバーターレンズの部分移動にて、再合焦することにより、合成レンズ系のピント面を固定し、同時に異なる物点にフォーカスが可能である。
特に、被写体深度を効率よく確保するには撮像光学系Ｌがβo2＜１であり、合成素子光学系ＡはβPA2＜１の方が良い。一般に、光学系は特定の合焦点からズレた物点へデフォーカスすると像のボゲの他、パースぺクティブによる像の変形が存在する。これら、原理的な現象である。これを、アフォーカル光学系を装着することにより、デフォーカスによる欠点を緩和可能であり、超被写体深度（多重フォーカス）が実現できる。
【００８５】
フロントタイプの図２１は撮像光学系の前に複数のアフォール光学系の断片素子からなる合成光学系が装着されている。離散的に整数ｉに対応し、ｉ番目の被写体の像面ピント面が同一面に固定させつつ断片要素光学系を合焦移動させ配置し、異なる位置ｉ番目にある被写体も同時に撮像することができる。
基準ピント面においてｉ＝０、Δｓ0＝０、ΔＳ0＝０、ΔＸ0＝０、Δｓi＝ΔＸi(１−１/βPA2)、ΔＳi＝Δｓiである。
フロントタイプを構成する合成光学系において、光軸に沿って奥行き方向において、それぞれ異なる被写体位置断面に同時合焦しても合成倍率は変化しない。
【００８６】
（第１０実施形態）
第９実施形態ではフロントフォーカスタイプについて説明したが、第１０実施形態では、リアーフォカスについて説明する。
【００８７】
合成光学系は図２０、或いは図２２に示す撮像光学系Ｌの後ろに合成素子光学系１１０または１１１が装着されているとする。これはリアーフォカス方式の光学系の構成である。基準配置において、同様に合成倍率βCは、βC＝βoβPAである。合成光学系の合成ＦナンバーＦN'は常に、アフォーカル光学系の明るさＮＡAにて制限される。
ＮＡ’＜ ＮＡA  のとき、 ＦN'＝βPAＦＮ≧１/(2ＮＡA')        (４９)
ＮＡ’≧ ＮＡPA  のとき、 ＦN'≒１/(2ＮＡA')                  (５０)
合成系の焦点深度は以下の如くアフォーカル光学系の像面移動として表される。
ΔＳ'(±)＝±εＦN'                                   (５１)
アフォーカル光学系によるデフォーカス関係は以下の如く表される。
ΔＳ＝ΔＳ'/βPA2                                   (５２)
【００８８】
撮像光学系の像面移動量ΔＬAM'とアフォーカル光学系の像物面移動量ΔＳは等しい。
ΔＬAM'＝ΔＳ                                       (５３)
アフォーカル光学系のデフォーカス量ΔＳ'を撮像光学系に伝達し、合成光学系のデフォーカス量ΔＬAMとの関係を下記の如く表される。
ΔＬAM＝ΔＬAM'/[βo2(1−ΔＬAM'/βoｆ')]      (５４)
ΔＬAM＝ΔＳ'/[βPA2βo2[1- ΔＳ'/(βPA2βoｆ')]]     (５５)
ΔＳ' →  ΔＳ'(±)として  ΔＬAM  →  ΔＬAM(±)となる。
ΔＬAM(±)＝±εＦN'/[βPA2βo2[１−(±εＦN')/(βPA2βoｆ')]]  (５６)
デフォーカス量が小さいとき合成光学系の被写体深度は同様に(５７)式の如く表される。
ΔAM＝ΔＬAM+−ΔＬAM-≒２εＦN'/(βo2βPA2)       (５７)
但し、像面の移動量ΔＳ'が大きいとき合成倍率やアフォーカル光学系の倍率によって(５７)式の近似が成立しないことがある。このときは(５７)式を直接使用する必要がある。
【００８９】
アフォーカル光学系を撮像光学系の前側に装着したときと同様に、後ろ側に装着しても(４１)式が成立する。これは、像面がΔＳ'だけデフォーカスしたとき、アフォーカル光学系の配置を移動(フォーカス移動)することにより、像面をもとの基準像面に戻す(フォーカス)したことに相当する。このとき、アォーカル光学系の物点が基準配置よりΔｓだけ移動している。これが、アフォーカル光学系の前方に装着された、撮像光学系の像面軌移動量ΔＬ'＝Δｓとなる。
Δｓ=ΔＸ(１−１/βPA2)
この配置における物点の移動量ΔＬは(２４)式、あるいは(５４)式で関係付けられている。
【００９０】
この様に、被写体のデフォーカスに対し 、適度に |Δｓ|≧|ΔＬAM'|とすることが可能である。また、この様にすることにより、合成光学系は、基準の物点からΔＬだけはなれた位置にある物体に合焦したことになる。図２１、図２２に示すように、これらの移動量ΔＸが異なるアフォーカル光学系の断片要素を光軸の回りに複数同時に配置すると多重フォーカス光学系を実現可能である。
ΔＸ →  ΔＸi 、  ΔＬ →  ΔＬi    ( i＝０、±１、±２、〜、±Ｎ)
このことにより、超被写体深度光学系を構成できる。
リアータイプを構成する合成光学系において、光軸に沿って奥行き方向において、それぞれ異なる被写体位置断面に同時合焦したとき、撮像光学系Ｌ（非アフォーカル系のとき）が担う撮像倍率βo→βoiがそれぞれ変化するため、合成倍率βC→βciも変化する。
【００９１】
このことは、同時に多重フォーカスにて超被写体深度を目的とする本発明おいて、目的に応じ、画像処理等より倍率補正や多重像の分離等の付加的な処理が必要な場合がある。被写体深度を効率よく確保するには撮像光学系Ｌがβo2＜１のとき、合成素子光学系ＡはβPA2＜１の方が良い。
【００９２】
任意の被写体の表面やその前後の複数断面を同時に観測検査を実施するため、被写体と撮像光学系の間に、図１８の様な適度な分角された複数の断片要素光学系を装着する。このとき図１９、図２０の様な配置において、図１８の如き複数の断片要素光学系を撮像光学系Ｌの光軸と同じ中心を光軸に一致させる。
【００９３】
適当な合焦を施した断片要素光学系を複数個（セグメント）の固着合成した合成素子光学系１１０または１１１を光軸に対し、回転対称に配置する。このため、被写体の撮像される位置が移動し、光軸に沿った、異なる複数断面にフォーカスされ、その像が更に撮像レンズＬによって結像される。
【００９４】
これを実現するための合成素子光学系１１１の構造を詳細に述べる。図１９の如き合成素子光学系１１１は撮像レンズＬに装着することにより合成光学系を構成する。図１９、図２１のようにフロントタイプにおいて撮像レンズＬの前面に配置し、光軸を中心にしてそれぞれ４分割されている。これらは光軸に対し異なる方位と、異なる合焦配置を有する断片要素光学系の各部分からなり、配置されている。
【００９５】
通常、これらの各断面要素光学系は扇形の有効光束断面を形成しそれぞれ装着配置されている。このような断面要素光学系を光軸を軸に回転対称配置とすることにより、被写体の奥行き方向の異なる４つの断面から発した光束が４波面分割される。撮像レンズによって、それぞれの波面光束を同一ピント面にジャストフォーカスする。
その結果、これらの複数像を同時に撮像することができる。断面要素光学系を更に、多分割することにより、多数のフォース断面に同時、ジャストフォーカスが可能であり、より深い奥行きの領域を同時撮像が可能である。
【００９６】
図２２に示すリアータイプは、撮像光学系の後ろに複数のアフォール光学系断片素子のからなる合成光学系が装着されている。離散的に整数ｉに対応し、ｉ番目の被写体の像面ピント面が同一面に固定させつつ、断片要素光学系を合焦移動させ配置し、異なる位置ｉ番目にある被写体を同時に撮像することができる。
基準ピント面において  ｉ＝０、Δｓ0＝０、ΔＳ0＝０、ΔＸ0＝０、Δｓi＝ΔＸi(１−１/βPA2) 、ΔＬi'＝Δｓi、ΔＬi'はΔＬiである。
リアータイプを構成する合成光学系において、光軸に沿った奥行き方向において、それぞれ異なる被写体位置断面に同時合焦したとき、撮像光学系Ｌ（非アフォーカル系のとき）のフォーカス倍率が変化するため、合成倍率は変化する。
このことは、超被写体深度を目的とする本発明おいて、フロントタイプに対し、画像処理等の付加的な処理が必要なこともある。なお撮像光学系Ｌがアォーカル光学系のときはこの限りではない。
【００９７】
（第１１実施形態）
本実施形態は、ガリレオ式望遠鏡タイプの光学系を採用した実施形態である。
上述した理論的考察より、フロントタイプ、リアタイプの特徴を利用し、断片要素光学系は適度な倍率(γPA＝１/βPA)を設定する。例えば、図２５に示すように、ガリレオ式望遠鏡タイプを採用した方がより小型化を容易に達成できる。
【００９８】
等倍近い倍率を設定するとフォーカス効率は悪くなるが、結像性能の確保が容易である。一方、望遠鏡倍率（近軸角倍率γPA）を高くすると画角（視野）を確保するため物側のレンズ口径を大きくしなければならない。また一方では、逆ガリレオ式タイプにて配置するならば、縮小望遠鏡倍率となりがちであるが、画角を広く、深度も深く確保し易い。
【００９９】
また、これらの断片要素光学系には光軸に対し、放射状に等角分割され、全く同じ部分から構成されているものを複数採用しても構わない。このことにより、断片要素光学系を共通利用でき安価に合成系を構成できる。この様な合成素子光学系によって、同時に多重フォーカスが可能であり、超被写体深度の範囲をより拡大することができる。合成素子光学系は広い範囲にフォーカスするので、各種収差が発生する。これを補正するため、構成レンズ成分の間隔修正等を実施することにより、対応が可能である。このことは、共通の断片要素光学系の部品を利用することにより、容易で且つ、安価に結像性能を確保できる。
【０１００】
フロントタイプにおいて、図１９と図２５より、ガリレオ式の特徴は角倍率がγ1PA＝１/βPA＞０、ｆ1'ｆ2'＜０であり虚像を結像する。第１レンズ（ｆ1'＞０）の像側焦点Ｆ1'と第２レンズ（ｆ1'＜０）の物側焦点Ｆ2にて連結されるため空間的に有利である。レンズの外側に存在する物点に対する像はレンズの内側に存在する。このため、その後側に連結する光学系を配置すると、合成光学系の全長が短くできる。
βPA＝β1β2 ＞０であるため、それぞれのレンズ群の担う倍率がβ1、β2の符号が常に同一である。ここでは  それぞれレンズ群の担う結像は実像と虚像（虚物点）の組み合わせにて構成されている。このタイプは視野が比較的に広くない、コンパクトで比較的明るい光学系を構成するのにふさわしい。一方、リアータイプにおいて、図２０と図２５より、ガリレオ式のレンズの前後を逆転させて、逆ガリレオタイプを虚物点と実像とを構成する結像がふさわしい。
【０１０１】
（第１２実施形態）
本実施形態は、逆ガリレオ式望遠鏡タイプの光学系を採用した実施形態である。
フロントタイプにおいて、図１９と図２６より逆ガリレオの特徴は角倍率がγPA＝１/βPA＞０、ｆ1'ｆ2'＜０であり虚像を結像する。第１レンズ（ｆ1'＜０）の像側焦点Ｆ1'と第２レンズ（ｆ2'＞０）の物側焦点Ｆ2にて連結されるため空間的に有利である。レンズの外側に存在する物点に対応する像点はレンズの内側に存在する。そのため、その後側に連結する光学系を配置すると、合成光学系の全長が短くできる。
βPA＝β1β2 ＞０であるため、それぞれのレンズ群の担う倍率がβ1、β2の符号が常に同一である。ここでは、それぞれレンズ群の担う結像は、虚像と虚像の組み合わせにて構成されている。このタイプは視野が比較的に広く、コンバクトで比較的に暗い光学系を構成するのにふさわしい。
【０１０２】
一方、リアータイプにおいて、図２０と図２６より、逆ガリレオ式のレンズの前後を逆転させて、ガリレオタイプを虚物点と実像とを構成する結像がふさわしい。ガリレオタイプと逆ガリレオタイブは相互に前後が逆転しているのみならず、それぞれの光学系タイプにおいて、それぞれのレンズ群が担う倍率β1、β2は  負負、正正の２通りの組み合わせを構成可能なことが理解できる。
ΔＳ＝ΔＳ’／βPA2
１／ｆＡ’＝１／（β2ｆ1’）＋  β1／ｆ2’＝０
βPA＝β1β2＝−ｆ2’／ｆ1’
【０１０３】
図２４に示すようにケプラー式望遠鏡系の特徴は、角倍率がγPA＝１/βPA＜０でありここでは実像を結像する。第１レンズ（ｆ1'＞０）の像側焦点Ｆ1'と第２レンズ（ｆ2'＞０）の物側焦点Ｆ2にて連結されるため、他の光学系の前後に．この光学系を連結配置すると、合成光学系の全長が非常に長くなる。一般にコンパクト化は困難である。βPA＝β1β2 ＜０のため、それぞれのレンズ群の担う倍率がβ1、β2の符号が異なる。ここでは、それぞれレンズ群の担う結像は実像と虚像の組み合わせにて構成されている。特に、本発明における装着合成素子光学系として、高倍率である程度の広画角を確保するためには、両側テレセントリック光学系（ケプラー式）を構成していることが機能的に望ましい。
【０１０４】
その結果、程良い光学系の大きさや長さにて、それぞれの各断片部位の担う近軸倍率を一定に保ちつつ、フォーカス領域を変化させることが可能である。しかし、図２３の合成光学系から分かるように、画面サイズや、被写体サイズが大きいシステムでは必然的にシステムサイズも大きくなる。
【０１０５】
一般に、断片要素光学系として採用したいずれの望遠鏡光学系（アフォーカル光学系）も、被写体の特定の物高の位置が光軸に沿って移動しているものを合焦しても、倍率が不変なので、常に同一物高に対する像を見ることになる。それ故、この特徴は非常に有用である。一方、この断片要素光学系は物側テレセントリック光学系でも良い。
【０１０６】
（第１３実施形態）
第１３実施形態として撮像レンズに非テレセントリック光学系を採用した実施形態を示す。本実施形態では合成光学素子１１０または１１１を光軸を中心に回転させることに特徴がある。
【０１０７】
撮像レンズＬに非テレセントリック光学系を採用し、断片要素光学系にアフォーカル光学系、或いはテレセントリック光学系を採用した場合、不都合な課題がある。例えば、断片要素光学系として両側テレセントリック光学系を考えると、図１６の如く、光軸方向に厚みのある透明な被写体の表面(ｏ3)と裏面(ｏ1)に対応する面を同時に検査を実施するとする。この透明被写体と撮像レンズＬ間に、光軸に対し、図１７の如き、上下片側にそれぞれ有効口径断面を有した２分割の断片要素光学系Ａを装着する。このとき、断片要素光学系がそれぞれフォーカス移動し、光軸上の被写体表裏にフォーカス移動し、光軸に沿った、異なる二つの断面にそれぞれフォーカスされ、断片要素光学系の像面が常に固定される。
【０１０８】
図１６の合焦配置において、図１７の半円２分割の断片要素光学系Ａ0、Ａ1の有効口径の弦の中心（半円の場合には直径部分の直線の中心）を光軸に一致させる。光軸に対し上下の半円有効口径部それぞれに光束が通過し、それぞれフォーカス移動して配置された２つの合成素子光学系１１０を通過し、撮像レンズ系Ｌに入射する光束として同時に取り込むことが可能な様に配置されている。
【０１０９】
しかし、被写体の光軸より上側半分の領域から発した光束は被写体表面にフォーカスした像のみを結像する。一方、被写体の光軸より下側半分の領域から発した光束は、被写体裏面にフォーカスした像のみを結像することが図９の撮像レンズＬの特徴に対応づけ、図１６と図１７から判る。撮像レンズによって結像される像は光軸より下半面が被写体の上半部の像である。同様に、被写体上半分の領域は光軸より下半部の像である。このため、同時に軸外の被写体の物体を同じ視野内にてフォーカスすることができないと言う問題がある。
【０１１０】
断片要素光学系を円環状の鏡筒枠の中に、回転対称になるよう装着配置すると、これをコンバーターと見なすことができる。光軸と半円断片要素光学系の有効口径の弦の中心を一致させ、光軸を軸にこのコンバーターを回転させる。
被写体の奥行き方向の異なる断面から発した光束が波面分割され、それぞれの波面光束を同一ピント面にジャストフォーカスした二つの像を、この機械的な回転により、像面中心にて二分する光軸の上下に交互に結像させることができる。その結果、像面において全視野領域にわたり、被写体の異なる位置断面を同時に撮像することができる。
【０１１１】
さらに、図１８に示すように、合成された扇形の断片要素光学系の各セグメントは有効口径が減少し暗くなる。また各セグメントの境界の側面にて、通過斜光束が一部遮られる。この効果を緩和するため、図１８の合成扇形断片要素光学系を円環状の鏡筒枠の中に挿入配置し、光軸と合成扇形断片要素光学系の頂点を含む陵に一致させ、光軸を軸に合成扇形の断面を有する合成素子光学系を回転させる。その結果、光軸に対し、撮像画面内の光量分布の均一化を図ることできる。
【０１１２】
また装着可能な合成素子光学系を、撮像光学系に対し、前側（物空間）、内部、後側（像空間）のいずれにも配置可能である。図１９に示すように前側に配置するならば、結像関係を満たしつつ撮像光学系になるべく近い方が望ましい。図２０に示すように、後側に配置するときも、同様に撮像光学系になるべく近い方が望ましい。このことにより、光学系も容易に小型化が可能である。
【０１１３】
撮像光学系を拡大系にて使用するとき、深度の効率を考慮すると物体空間に配置する方が効果的である。一方、明るさの負荷を考慮すると像空間に配置する方が効果的である。特に、撮像光学系の内部に配置するときは結像関係を満たしつつ開口絞りに近傍が望ましい。更に、絞りの前後に配置され対称となる平行系が好適である。軸上光束も、軸外光束も同時に、より均等に分割制御可能であるからである。
【０１１４】
異なる位置に配置された被写体を同時に撮像するとき、フロントタイプ以外の配置では合成撮像倍率を一定にすることはできない。しかし、撮像光学系をテレセン光学系、或いはアフォーカル光学系にすることにより合成撮像倍率がほぼ一定の超深度光学系が構成できる。
【０１１５】
本実施形態では、撮像画面内光量分布の均一化とデフォーカス像の撮像ボケの光束形状の整形のために被写体と撮像像面との間に配置され、異なる位置に配置された複数の被写体の全視野を同時に撮像可能とするために、形状的に回転対称性を有していたもののそれぞれ部分からなる合成素子光学系を撮像光学系の光軸に対し、軸回転させる回転機構を導入している。
【０１１６】
回転機構は合成素子光学を内包する鏡筒を例えば、円環状（ドラム）モーターＤＭを装備する。このことより小型化を実現しつつ、合成素子光学系を回転駆動することが可能である。その他、ギアー連鎖機構にて外部駆動としても実現可能である。
【０１１７】
合成素子光学系に適当な回転速度を与えることにより、一部の視野しか同時に撮像できない撮像光学系を採用したときでも全視野領域において見掛け上、同時撮像が可能である。更に、この回転周期の同期信号を画像処理系に取り込み採用することにより、被写体の断面を走査し、カメラＣの受光素子による撮像にて、映像信号の合目的的な取り込みが可能である。その結果、画面合成、映像加工等、所望の画像処理が可能である。
【０１１８】
図１７及び図９から分かるように、アフォーカル光学系もしくはテレセントリックな合成素子光学系を使用するとき、結像に使用される光束が制限されるので、撮像される視野が限定される。そのため、この合成素子光学系の回転にて図１７の入射光束を変化させ、被写体断面内の領域をスキャンする。
更に、回転にて合成光学素子の各断片境界面における通過光束の遮蔽も緩和可能である。このようにして、撮像光学系がノンテレセントリック光学系で、合成光学素子がテレセン性を有するとき、同時多重フォーカスをするため、同様な理由により合成光学素子を回転させることが非常に有効である。
【０１１９】
更に、合成素子光学系を回転させることにより、異なる物体断面からの像に対し、そのデフォーカス像（ボケ光束の形状）の対称性がよくなり、見掛け上、目立ちにくくすることができる。さらに、光束断面の分割形状によって発生する光量の不均一を撮像画面内において、光量分布の均一化を図ることできる。
また変形例として、被写体と撮像像面との間に配置され、断片要素光学系が複数のレンズ成分から構成され、合成素子光学系は撮像レンズに対し、着脱可能な光学系を構成しても良い。フロントコンバーター光学系あるいはリアーコンバーター光学系として使用し可能なモジュール光学系としての機能を有する。これは他なる撮像光学系にも装着可能であるように、個別に収差が補正され光学性能が確保されていることを示している。その結果、複数の異なる位置に配置された複数の被写体の鮮明な像を同時に撮像可能である。フロントコンバーターあるいはリアーコンバーターとして、汎用的に使用可能であり、システム性の高い光学系とメカ機構も含む着脱可能な光学モジュール（汎用光学モジュール）としても機能する。
【０１２０】
（第１４実施形態）
本実施形態は、断片要素光学系から構成された合成素子光学系と、この断片要素光学系のうち、特定の一つの有効光束に対応した形状の開口を有し、透過可能な遮光板を共に撮像光学系の光軸の周りに回転させる機構を有することに特徴がある。
【０１２１】
遮光板の回転により、異なる位置に配置された複数の被写体を同時に撮像した像を分離、特定する光学系シテムを以下に説明する。
後述するモジュール光学系ＭＤの合成素子光学系部を固定し、その前或いは後ろに等分割された各セグメントの大きさ、形に対応した一つの透過穴を有するマスクを新たに挿入配置し、このマスクを光軸の周りに回転させる。
このことにより、各セグメンとから透過した光束のみ選択抽出し結像させる。この光束が透過した合成素子光学系のセグメントに対応する識別信号を認識し、基準位置からの所定回転角と周期的に同期をとり、対応する被検査断面とを対応付ける。その結果、同時結像した像が、各被写体からの光束がどの断片要素光学系を通過し結像した像であるかを特定することができる。あるいは、又このマスクを固定し、合成素子光学系を光軸の周りに回転させても同様な結果を得ることができる。
【０１２２】
また、このマスクを特定のセグメントに貼り付け、合成素子光学系を回転させることにより、特定の距離にある被写体の像を分離し撮像が可能である。更にこのマスクと合成素子光学系を独立にそれぞれ同時に回転させることにより、それぞれ異なる位置に在る被写体の視野全体と各位置の多重像を分離、且つ特定することができる。このことはそれぞれの部材の回転周期と撮像のタイミングの設定にて容易に実現可能である。
【０１２３】
なお、これらのモジュール光学系ＭＤを構成する合成素子光学系は複数の種類からなる素子に適当な倍率、分割数、光学系のタイプを選択することが可能である。この様に広範囲にわたり、被写体の複数断面に、同時フォーカスが可能であることが明らかである。 更に、三次元の画像入力の被写体断面の走査手段としても応用ができる。被写体の前後から発生するでフォーカス像はコンフォーカルシステムを構築することにより、各被写体断面の鮮明な撮像が可能である。特に、本発明において安価で小型の撮像システムを容易に構築できる。
【０１２４】
合成素子光学系にアフォーカル系を採用したとき、これらは被写体の特定の部位を撮像可能であるが、全視野を取り込むことができない。そこで、この遮光板を開口を合わせて特定のセグメントに貼り付け、合成素子光学系を回転させることにより、特定の距離にある被写体の像のみ分離し、全視野の撮像が可能である。更に実用的な方法として、前述した遮光板と合成素子光学系を独立にそれぞれ回転させることにより、それぞれ異なる位置にある被写体の視野全体と各位置の多重像を分離、且つ特定することができる。このことはそれぞれの部材の回転周期と撮像装置の撮像タイミングの設定にて容易に実現可能である。
【０１２５】
さらに、この実施例の被写体として平面チャート物体を配置し、その像コントラストから撮像レンズのデフォーカス特性の計測が可能である。また、得られた結果から、撮像レンズの焦点深度も計測可能である。
【０１２６】
（第１５実施形態）
本実施形態は、合成素子光学系をモジュール光学系とし、着脱可能にしている点に特徴がある。図２７から図２９に本実施形態の構成を示す。
【０１２７】
合成素子光学系１１２を備えた光学系をモジュール光学系ＭＤとする。これらの装着可能な合成素子１１２は光路中のいずれの場所に配置しても目的は達成できる。汎用性を確保するため、着脱可能なモジュール光学系ＭＤとし機能を分離することも容易に可能である。着脱可能な着脱機構Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３は例えば、バイオネットマウントや、スクリューマウント等にて実施可能である。
【０１２８】
図２７にモジュール光学系ＭＤ（フロントコンバーター光学系ＦＣ）として使用可能な機能を有する構成を示す。撮像光学系ＬＢ物側に連結したフロントコンバーター光学系ＦＣである。この光学系ＦＣは撮像光学系ＬＢに着脱可能な着脱機構Ｊ１、Ｊ２ と連結手段を有している。
この合成素子光学系の鏡筒ＦＣは撮像光学系の鏡筒ＬＢに着脱可能な連結機構Ｊ１を有している。撮像光学系の鏡筒ＬＢは連結機構Ｊ２にて撮像カメラＣに装着され撮像素子上に同時に撮像される。
【０１２９】
図２８は撮像光学系ＬＢの像側に連結したリアーコンバーター光学系ＲＣである。この光学系ＲＣは撮像光学系ＬＢに着脱可能な着脱機構Ｊ１、Ｊ２と撮像カメラＣへの着脱機構Ｊ３との連結手段を有している。モジュール光学系ＭＤ（リアーコンバーター光学系ＲＣ）として使用可能な機能を有する。
この合成素子光学系の鏡筒ＲＣは撮像光学系の鏡筒ＬＢの像側に着脱可能な着脱機構Ｊ１なる連結手段を有している。合成素子光学系の鏡筒ＲＣは中間鏡筒ＪＢと着脱可能な着脱機構Ｊ２にて連結しており、中間鏡筒ＪＢは着脱可能な着脱機構Ｊ３にて撮像カメラＣに装着され撮像素子ＩＭに同時に撮像される。
【０１３０】
図２９は撮像光学系ＬＢ１とＬＢ２の内部に配置される専用のモジュール光学系ＭＤ（ＭＣ）であり、開口絞りＳの近傍に合成素子光学が配置されている。
図２９は撮像光学系ＬＢ１とＬＢ２の内部に装着配置される専用の内蔵光学系ＭＣである。開口絞りＳ、この光学系ＭＣは撮像光学系ＬＢ１、ＬＢ２に着脱可能な着脱機構Ｊ１、Ｊ２と撮像カメラＣに着脱可能な着脱機構Ｊ３との連結手段を有している。
【０１３１】
超被写体深度の機能を必要としないときは、特定の基準倍率のアフォーカル光学系か、或いはダミーのガラスブロックが撮像光学系が装着されているものとする。超被写体深度光学系を実現するときは、これを断片要素光が系からなる合成素子光学系に置き換えれば良い。この合成素子光学系において軸上光束も、軸外光束も同時に、より均等に分割制御可能であるからである。この合成素子光学系の鏡筒ＭＣは撮像光学系の鏡筒ＬＢ１、ＬＢ２に着脱可能な着脱機構Ｊ１、Ｊ２と撮像カメラＣとの着脱機構Ｊ３とを有し、それぞれ連結装着され撮像素子ＩＭに同時に撮像される。
【０１３２】
一般にこの配置では合成撮像倍率を一定にすることはできない。しかし、このとき、絞り空間は軸上物点から発した光束は平行光束となる撮像光学系がシステム構成において好適である。異なる位置に配置された被写体を同時に撮像するとき、撮像光学系をアフォーカル光学系、或いはテレセン光学系とすることにより、内部にさらに、アフォーカル系の合成速素子光学系を挿入する。この挿入により変倍可能な超深度光学系が構成できる。
【０１３３】
上記した第８から第１５実施形態においては、任意の3次元被写体の被写体面のそれぞれの断面に同時にフォーカスし、それらの断面を同時に撮像するため、例えば被写体と撮像光学系の間に、多重フォーカス可能な光学系を装着する。このため、撮像光学系のフォーカスを合わせ直すことなく、異なる断面に同時にフォーカスされる。
【０１３４】
但し、これを実現するために、前述した断片要素光学系からなる合成光学系(多重フォーカス可能な光学系)は各方位方向に断片要素光学系の各部分が合焦移動しつつ配置対応づけられ、この部位を光束が通過する。このように直接機械的な移動を伴わず、被写体の奥行の異なる断面から発した入射光束が、光軸に垂直な断面内において、例えば図１８の如く４波面分割されると同時に、この被写体はそれぞれの分割波面光束にて同一ピント面にジャストフォーカスした複数の像として同時に結像される。
【０１３５】
更に、このように断片要素光学系を配置することは基準位置から各断面要素光学系の移動量が増大し、この光学系よる収差が大きくなり、それ故、結像性能が劣化する。このことに対し色収差を含む収差補正の対応が必要となる。フォーカスによる収差変動は断片要素光学系のレンズ成分の相互のレンズ間隔を調整することで、収差補正が実施される。
【０１３６】
また、断片要素光学系へ入射する特定の光線に注目する。各断片境界ぎりぎりに通過する場合、複数の断片要素光学系をまたいで通過する光線がある。これらの光線を断片要素光学系の境界を光軸に平行な遮光板にて被い、フードの如き廂にて遮断する。迷光の遮断をなし遂げることができる。その結果、各断片要素光学系による結像による光束のみにて鮮明な像を確保できる。この様に、撮像光学系と前述した多重フォーカス光学系との合成にて複数の合成形態が存在し、本発明の如き超深度光学系は容易に構成することが可能である。
【０１３７】
上述した実施形態では、合成光学素子の装着配置にて撮像光学系のフォーカスを変えることなく、同一ピント面にフォーカスした複数の像を安定して同時に且つ、鮮明に撮像することができる。その結果、高解像な超被写体深度光学系を実現できる。このことは奥行きのある透明検査物体の表面から内部をへて裏面までを容易に同時に、検査が可能である多重焦点光学系を実現できる。
【０１３８】
また透明立体物を撮像することに対応した、小型な光学検査装置を容易に構築することが可能である。特に、非常に大型の撮像光学系(大口径、長焦点距離)は高速フォーカス移動が困難である。この光学系を移動させることなく容易にフォーカスが可能である。その他、光学系を逆転利用し、特定の被写体を異なる結像面へ同時に３次元的撮像記録することも容易に実現できる。例えば、マルチメデア対応の多重記録、書き込み用のピックァップ光学系を容易に実現できる。それ故、多様な記録、再生メデアに対し、安定した対応が可能である。同様に、不透明な立体物表面の超深度撮像も容易に可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１３９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る撮像装置の要部構成を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態に係る撮像装置の模式的断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る撮像装置の要部構成を示す斜視図である。
【図４】第２実施形態に係る撮像装置の模式的断面図である。
【図５】第２実施形態に係る撮像装置における被検体と挿入プレートとの間の光路を説明する図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る撮像装置の要部構成を示す斜視図である。
【図７】第３実施形態に係る撮像装置において用いられる挿入プレートを示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）における矢視VIIＢ−VIIＢから見た正面図、（Ｃ）は（Ａ）における矢視VIIＣ−VIIＣから見た側面図である。
【図８】第３実施形態に係る撮像装置の模式的断面図である。
【図９】第４実施形態に係る撮像装置の模式的構成図である。
【図１０】第５実施形態に係る撮像装置の模式的断面図である。
【図１１】第６実施形態に係る撮像装置の模式的断面図である。
【図１２】撮像レンズの後方に挿入プレートを挿入設置した場合においても、撮像レンズの前方に挿入プレートを挿入した場合と同様の効果が得られることを説明するための光路図である。
【図１３】第７実施形態に係る撮像装置の模式的断面図である。
【図１４】撮像レンズによる結像関係を示した図。
【図１５】撮像レンズの焦点深度と被写体深度との幾何光学的配置の関係を示した図。
【図１６】アフォーカル光学系による結像関係を示した図。
【図１７】第８実施形態に係る合成素子光学系を示す図。
【図１８】第８実施形態に係る合成素子光学系を示す図。
【図１９】フロントタイプの、合成素子光学系と撮像光学系との結像関係における、被写体位置と像面の関係を示す図。
【図２０】リアータイプの、合成素子光学系と撮像光学系との結像関係における、被写体位置と像面の関係を示す図。
【図２１】第９実施形態の合成素子光学系と撮像光学系との結像関係における、複数の被写体位置と、各断片要素光学系の合焦配置と像面の関係を示す図。
【図２２】第１０実施形態の合成素子光学系と撮像光学系との結像関係における、複数の被写体位置と、各断片要素光学系の合焦配置と像面の関係を示す図。
【図２３】アフォーカル光学系と撮像光学系との合成光学系の焦点深度と被写体深度と関係を示す図。
【図２４】ケプラー式光望遠鏡系の合焦状態を示す図。
【図２５】第１１実施形態のガリレオ式望遠鏡系の合焦状態を示した図。
【図２６】第１２実施形態の逆ガリレオ式望遠鏡系の合焦状態を示した図。
【図２７】第１５実施形態を示す図。
【図２８】第１５実施形態を示す図。
【図２９】第１５実施形態を示す図。
【符号の説明】
【０１４０】
１      撮像装置
２      撮像レンズ
３      挿入プレート（平行平板部材）
４      結像面
５      撮像デバイス
６      画像処理装置
７      ディスプレイ
８      平行平板ガラス
Ｑ１    被検体
Ｑ２    被検体（他の被検体）
Ｓ１    基準面（被検体）
Ｓ２    参照面（他の被検体）
１１０、１１１、１１２    合成素子光学系
Ａ0、Ａ1、Ａ2、Ａ3、Ａ4、Ａ5  断片要素光学系
ＭＤ      モジュール光学系
【図１】
2006184844.tif 000003
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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