(57)【要約】【課題】円形対称多重焦点非球面レンズによって撮像を行うシステムを設け、拡大深度を得る装置や方法を提供する。【解決手段】円形対称多重焦点非球面レンズ１４を介して少なくとも１つの被写体１３の画像を取込み、不鮮明画像を生成するカメラ１０、及び当該取込んだ不鮮明画像を処理し、拡大深度を有する被写体の復元画像を生成する。この復元画像は、表示装置１８に出力するか、またはその他の周辺機器に出力する。この不鮮明画像の処理には、反転濾波法、渦巻マトリックス法（例えば、エッジ鮮鋭化マトリックス法）、または最大エントロピー法の１つを利用する。画像処理を行うコンピュータシステム１０は、カメラ内に設けてもよく、または当該不鮮明画像を受信するカメラの外部のコンピュータシステムでも良い。
2005513833.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円形対称多重焦点非球面レンズを介して少なくとも１つの被写体の画像を取込み、不鮮明画像を生成する手段；及び
当該取込んだ不鮮明画像を最大エントロピー法によって処理し、拡大深度を有する該被写体の復元画像を生成する手段；
を具備する１個以上の被写体を撮像するシステム。
【請求項２】
前記被写体は、距離の範囲に広がる三次元被写体であり、前記拡大深度は、距離の範囲の前記復元画像内でその焦点が合っている当該三次元被写体の少なくとも実質的な部分によって特徴付けられている請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記レンズは、半径と、当該レンズの前記半径に応じて焦点距離が連続的に変化する複数の環状部分を有し、前記範囲内の各距離に於いて前記被写体の焦点が前記レンズの前記複数の環状部分の少なくとも１つの部分に於いて合い、前記被写体は前記レンズの前記複数の環状部分の内の他の部分によって不鮮明化される請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記レンズは半径を有し、前記レンズはその半径に従って連続的に変化する焦点距離を有することによる多重焦点レンズである請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記レンズは、下記の式によって特徴づけられる請求項１記載のシステム。
【数１】
2005513833.tif 000014
ここで、φ（ｒ）は任意の定数以内のレンズの半径ｒに対する位相遅れであり、前記範囲は距離ｓ１からｓ２であり、Ｒは当該レンズの外側半径であり、ｔは当該レンズが配設されている面から前記取込み手段によって取込んだ画像の面迄の距離であり、λ０は自由空間の波長である。
【請求項６】
φ（ｒ）によって特徴づけられた前記レンズの中で、前記レンズの半径に対する前記レンズの焦点距離の比率を変化させるため、前記比率ｒ／Ｒの重み付けを変化させることによって、異なったレンズを提供する請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記処理手段は、当該レンズの点拡散機能に従って動作可能である請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記処理手段は、コンピュータシステムである請求項１記載のシステム。
【請求項９】
更に前記復元画像を出力する手段を具備する請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
前記出力手段は、表示装置である請求項９記載のシステム。
【請求項１１】
前記レンズは、１つの光学要素によって構成される請求項１記載のシステム。
【請求項１２】
前記レンズは、複数の光学要素を有する光学システムによって構成される請求項１記載のシステム。
【請求項１３】
前記複数の光学要素は、多重焦点位相板と対物レンズである請求項１２記載のシステム。
【請求項１４】
前記取込み手段の角視野は、当該対物レンズの角視野に従う請求項１３記載のシステム。
【請求項１５】
前記取込み手段は、少なくとも前記レンズを介して前記不鮮明画像を取込むカメラを具備し、前記カメラは前記不鮮明画像を前記処理手段に供給する手段を更に具備する請求項１記載のシステム。
【請求項１６】
前記供給手段は前記不鮮明画像を格納するための前記カメラ内の取外し可能メモリを具備し、前記処理手段は前記取外し可能メモリにアクセスして前記不鮮明画像を取出す手段を具備する請求項１５記載のシステム。
【請求項１７】
前記供給手段は、前記不鮮明画像を前記処理手段に転送する前記カメラと前記処理手段との間のケーブルまたは光学的接続部の１つを具備する請求項１５記載のシステム。
【請求項１８】
前記カメラは、ディジタルスチルカメラまたはビデオカメラである請求項１５記載のシステム。
【請求項１９】
前記カメラは前記複数の不鮮明画像の複数の連続画像を前記処理手段に供給するディジタルビデオカメラであり、前記処理手段は前記複数の不鮮明画像の前記複数の連続画像の各々を処理して対応する複数の連続復元画像を生成する請求項１５記載のシステム。
【請求項２０】
前記カメラは、少なくとも前記レンズを介して前記不鮮明画像を取込む少なくとも１つのフォト検出器アレイを有する請求項１５記載のシステム。
【請求項２１】
前記取込み手段は、少なくとも前記レンズを介して前記不鮮明画像を取込むカメラを具備し、前記カメラは前記不鮮明画像から前記復元画像を生成する前記処理手段を更に具備する請求項１記載のシステム。
【請求項２２】
前記レンズは、１つ以上の光学要素である請求項２１記載のシステム。
【請求項２３】
前記カメラは、前記復元画像を出力する表示装置を有する請求項２１記載のシステム。
【請求項２４】
前記カメラは、ディジタルスチルカメラまたはビデオカメラである請求項２１記載のシステム。
【請求項２５】
前記処理手段は前記不鮮明画像から前記復元画像を生成する前記カメラ内のマイクロプロセッサーをベースとするシステムであり、前記カメラは前記不鮮明画像、前記復元画像、または前記不鮮明画像と復元画像の両方を格納するメモリを具備する請求項２１記載のシステム。
【請求項２６】
前記カメラは、少なくとも前記レンズを介して前記不鮮明画像を取込む少なくとも１つのフォト検出器アレイを有する請求項２１記載のシステム。
【請求項２７】
前記取込み手段は、少なくとも前記レンズを介して取込んだ前記不鮮明画像をフイルム上に記録するカメラ、及び前記フイルム上に記録した前記不鮮明画像を表す陽画または陰画の１つをディジタル化し、当該ディジタル化した不鮮明画像を生成する手段であり、前記処理手段は前記復元画像を生成するために前記ディジタル化した不鮮明画像上で動作する請求項１記載のシステム。
【請求項２８】
前記取込み手段は、当該不鮮明画像を記録するピクセルのアレイを構成する少なくとも１つのＣＣＤを具備し、各ピクセルはある寸法を有し、前記システムの前記撮像解像度は前記ピクセルの前記サイズによって決まる請求項１記載の方法。
【請求項２９】
前記レンズは、回折が制限されている請求項１記載のシステム。
【請求項３０】
前記レンズは、前記取込み手段に対して前記システムの２つ以上の動作距離を設ける請求項１記載のシステム。
【請求項３１】
前記レンズは、対数位相機能を有することを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項３２】
円形対称非球面レンズを介して少なくとも１つの被写体を撮像し、不鮮明画像を生成するステップ；及び
前記不鮮明画像を最大エントロピー法によって処理し、拡大深度を有する当該被写体の復元画像を生成するステップ；
を具備する１つ以上の三次元被写体を撮像する方法。
【請求項３３】
前記被写体は、距離の範囲に広がる三次元被写体であり、前記拡大深度は前記距離の範囲の前記復元画像内でその焦点が合っている当該三次元被写体の少なくとも実質的な部分によって特徴付けられている請求項３２記載の方法。
【請求項３４】
前記レンズは、半径と、当該レンズの前記半径に応じて焦点距離が連続的に変化する複数の環状部分を有し、前記範囲内の各距離に於いて前記被写体の焦点が前記レンズの前記複数の環状部分の少なくとも１つの部分に於いて合い、前記被写体は前記レンズの前記複数の環状部分の他の部分によって不鮮明化される請求項３３記載の方法。
【請求項３５】
前記レンズは半径を有し、前記レンズはその半径に従って連続的に変化する焦点距離を有することによる多重焦点レンズである請求項３２記載の方法。
【請求項３６】
前記レンズは、下記の式によって特徴づけられる請求項３２記載の方法。
【数２】
2005513833.tif 000015
ここで、φ（ｒ）は任意の定数以内のレンズの半径ｒに対する位相遅れであり、前記範囲は距離ｓ１からｓ２であり、Ｒは当該レンズの外側半径であり、ｔは当該レンズが配設されている面から前記取込み手段によって取込んだ画像の面迄の距離であり、λ０は自由空間の波長である。
【請求項３７】
更に前記復元した画像を表示するステップを具備する請求項３２記載のシステム。
【請求項３８】
前記レンズは、１つ以上の光学要素によって構成される請求項３２記載のシステム。
【請求項３９】
前記レンズは、多重焦点位相板と対物レンズを有する光学システムである請求項３２記載のシステム。
【請求項４０】
前記撮像ステップの角視野は、当該対物レンズの角視野に従う請求項３９記載の方法。
【請求項４１】
前記撮像ステップは、少なくとも１つの前記レンズを介して前記不鮮明画像を記録するカメラに支援されて行われる請求項３２記載の方法。
【請求項４２】
前記処理ステップは、前記カメラ内で行われる請求項４１記載の方法。
【請求項４３】
前記カメラは、ディジタルスチルカメラまたはディジタルビデオカメラの１つである請求項４１記載の方法。
【請求項４４】
前記カメラは前記複数の不鮮明画像の複数の連続画像を前記処理ステップに供給するディジタルビデオカメラであり、前記処理ステップは前記複数の不鮮明画像の前記複数の連続画像の各々を処理して対応する複数の連続復元画像を生成する請求項４１記載の方法。
【請求項４５】
前記カメラは少なくとも前記レンズを介して取込んだ前記不鮮明画像をフイルム上に記録し、前記方法は前記フイルム上に記録した前記不鮮明画像を表す陽画または陰画の１つをディジタル化し、当該ディジタル化した不鮮明画像を生成するステップを更に具備し、前記処理ステップは前記ディジタル化した不鮮明画像を使用して実行し、前記復元画像を生成する請求項４１記載の方法。
【請求項４６】
前記レンズは、前記復元画像の焦点が合っている前記カメラから２つ以上の距離を設定する請求項４１記載の方法。
【請求項４７】
前記処理ステップは、コンピュータシステムよって行われる請求項３２記載の方法。
【請求項４８】
前記処理ステップは、当該レンズの点拡散機能に従って行われる請求項３２記載の方法。
【請求項４９】
前記撮像ステップは、当該不鮮明画像を記録するピクセルのアレイを構成する少なくとも１つのＣＣＤを利用し、各ピクセルはある寸法を有し、前記システムの前記解像度は前記ピクセルの前記サイズによって決まる請求項３２記載の方法。
【請求項５０】
前記レンズは、回折が制限されている請求項３２記載の方法。
【請求項５１】
円形対称多重焦点距離を有する光学系；
前記光学系を介して画像を取込み、不鮮明画像を生成する少なくとも１つの検出器アレイ；及び
当該取込んだ不鮮明画像を最大エントロピー法によって処理し、拡大深度を有する復元画像を生成する手段；
を具備するスマートカメラ。
【請求項５２】
前記光学系は、円形対称非球面レンズによって構成される請求項５１記載のカメラ。
【請求項５３】
前記光学系は、対物レンズと多重焦点位相板によって構成される請求項５１記載のカメラ。
【請求項５４】
前記光学系は、１つ以上の光学要素によって構成される請求項５１記載のカメラ。
【請求項５５】
前記検出器アレイは、ＣＣＤアレイ、ＣＭＯＳアレイ、またはＣＩＤアレイの１つである請求項５１記載のカメラ。
【請求項５６】
前記光学系は点拡散機能を有し、前記処理手段は、前記レンズの前記点拡散機能に従って前記不鮮明画像上で動作し、前記復元画像を生成する請求項５１記載のカメラ。
【請求項５７】
前記光学系は、前記点拡散機能に従って回折が制限されている請求項５６記載のカメラ。
【請求項５８】
前記受信した画像を出力する表示装置、及び／または少なくとも前記復元画像を格納するメモリを更に具備する請求項５１記載のカメラ。
【請求項５９】
円形対称多重焦点光学系を介して画像を取込み、不鮮明画像を生成する手段；及び
当該取込んだ不鮮明画像を最大エントロピー法によって処理し、拡大深度を有する復元画像を生成する手段；
を具備する撮像装置。
【請求項６０】
円形対称多重焦点光学系を介して取込んだ不鮮明画像を最大エントロピー法によって処理し、前記光学系の点拡散機能に従って復元画像を生成する手段を具備する撮像装置。
【請求項６１】
前記光学系は、円形対称多重焦点レンズである請求項５９または６０記載の撮像装置。
【請求項６２】
前記光学系は、少なくとも多重焦点位相板である請求項５９または６０記載の撮像装置。
【請求項６３】
対数位相機能を特徴とする位相板を具備する多重焦点光学要素。
【請求項６４】
前記対数位相機能は、下記の式に従ってφ（ｒ）によって与えられる請求項６３記載の光学要素。
【数３】
2005513833.tif 000016
ここで、φ（ｒ）は任意の定数以内のレンズの半径ｒに対する位相遅れであり、前記範囲は距離ｓ１からｓ２であり、Ｒは当該レンズの外側半径であり、ｔは当該レンズが配設されている面から前記取込み手段によって取込んだ画像の面迄の距離であり、λ０は自由空間の波長である。
【請求項６５】
φ（ｒ）を特徴とする前記位相板の異なった位相板を、比率ｒ／Ｒの重み付けを変化させることによって得る請求項６４記載の光学要素。
【請求項６６】
少なくとも１つの多重焦点位相板を介して少なくとも１つの被写体の画像を取込み、不鮮明画像を生成する手段；及び
当該取込んだ不鮮明画像を処理し、拡大深度を有する該被写体の復元画像を生成する手段；
を具備する１個以上の被写体を撮像するシステム。
【請求項６７】
前記被写体は、距離の範囲に広がる三次元被写体であり、前記拡大深度は前記距離の範囲の前記復元画像内でその焦点が合っている当該三次元被写体の少なくとも実質的な部分によって特徴付けられている請求項６６記載のシステム。
【請求項６８】
前記多重焦点位相板は、下記の式によって特徴づけられる請求項６６記載のシステム。
【数４】
2005513833.tif 000017
ここで、φ（ｒ）は任意の定数以内のレンズの半径ｒに対する位相遅れであり、前記範囲は距離ｓ１からｓ２であり、Ｒは当該レンズの外側半径であり、ｔは当該レンズが配設されている面から前記取込み手段によって取込んだ画像の面迄の距離であり、λ０は自由空間の波長である。
【請求項６９】
前記処理手段は、当該位相板の点拡散機能に従って動作可能である請求項６６記載のシステム。
【請求項７０】
前記取込み手段は、少なくとも前記位相板を介して前記不鮮明画像を取込むカメラを具備し、前記カメラは前記不鮮明画像を前記処理手段に供給する手段を更に具備する請求項６６記載のシステム。
【請求項７１】
前記取込み手段は、少なくとも前記位相板を介して前記不鮮明画像を取込むカメラを具備し、前記カメラは前記不鮮明画像から前記復元画像を生成する前記処理手段を更に具備する請求項６６記載のシステム。
【請求項７２】
前記カメラは、前記復元画像を出力する表示装置を具備する請求項７０または７１記載のシステム。
【請求項７３】
前記カメラは、ディジタルスチルカメラまたはビデオカメラである請求項７０または７１記載のシステム。
【請求項７４】
前記処理手段は前記不鮮明画像から前記復元画像を生成する前記カメラ内のマイクロプロセッサーをベースとするシステムであり、前記カメラは前記不鮮明画像、前記復元画像、または前記不鮮明画像と復元画像の両方を格納するメモリを具備する請求項７０または７１記載のシステム。
【請求項７５】
前記取込み手段は、少なくとも前記レンズを介して取込んだ前記不鮮明画像をフイルム上に記録するカメラ、及び前記フイルム上に記録した前記不鮮明画像を表す陽画または陰画の１つをディジタル化し、当該ディジタル化した不鮮明画像を生成する手段であり、前記処理手段は前記復元画像を生成するために前記ディジタル化した不鮮明画像上で動作する請求項６６記載のシステム。
【請求項７６】
前記位相板は、回折が制限されている請求項６６記載のシステム。
【請求項７７】
前記位相板は、前記取込み手段に対して前記システムの２つ以上の動作距離を設ける請求項６６記載のシステム。
【請求項７８】
前記処理手段は、当該不鮮明画像上で反転濾波法、渦巻マトリックス法、または最大エントロピー法の１つを利用して当該復元画像を生成する請求項６６記載のシステム。
【請求項７９】
少なくとも多重焦点位相板を介して少なくとも１つの被写体を撮像し、不鮮明画像を生成するステップ；及び
前記不鮮明画像を処理し、拡大深度を有する当該被写体の復元画像を生成するステップ；
を具備する１つ以上の三次元被写体を撮像する方法。
【請求項８０】
前記被写体は、距離の範囲に広がる三次元被写体であり、前記拡大深度は前記距離の範囲の上記復元画像内でその焦点が合っている当該三次元被写体の少なくとも実質的な部分によって特徴付けられる請求項７９記載の方法。
【請求項８１】
前記多重焦点位相板は、下記の式によって特徴づけられる請求項７９記載の方法。
【数５】
2005513833.tif 000018
ここで、φ（ｒ）は任意の定数以内のレンズの半径ｒに対する位相遅れであり、前記範囲は距離ｓ１からｓ２であり、Ｒは当該レンズの外側半径であり、ｔは当該レンズが配設されている面から前記取込み手段によって取込んだ画像の面迄の距離であり、λ０は自由空間の波長である。
【請求項８２】
前記復元した画像を表示するステップを更に具備する請求項７９記載の方法。
【請求項８３】
前記取込みステップは、少なくとも前記位相板を介して前記不鮮明画像を記録するカメラに支援されて行われる請求項７９記載の方法。
【請求項８４】
前記カメラは、ディジタルスチルカメラまたはディジタルビデオカメラの１つである請求項８３記載の方法。
【請求項８５】
前記カメラは少なくとも前記位相板を介して取込んだ前記不鮮明画像をフイルム上に記録し、前記方法は前記フイルム上に記録した前記不鮮明画像を表す陽画または陰画の１つをディジタル化し、当該ディジタル化した不鮮明画像を生成するステップを更に具備し、前記処理ステップは前記ディジタル化した不鮮明画像を使用して実行し、前記復元画像を生成する請求項８３記載の方法。
【請求項８６】
前記処理ステップは、前記不鮮明画像上で反転濾波法、渦巻マトリックス法、または最大エントロピー法の１つを利用して当該復元画像を生成する請求項７９記載の方法。
【請求項８７】
前記処理ステップは、当該位相板の点拡散機能に従って行われる請求項７９記載の方法。
【請求項８８】
少なくとも多重焦点位相板を有する光学系；
前記光学系を介して画像を取込み、不鮮明画像を生成する少なくとも１つの検出器アレイ；及び
当該取込んだ不鮮明画像を処理し、拡大深度を有する復元画像を生成する手段；
を具備するスマートカメラ。
【請求項８９】
前記受信した画像を出力する表示装置、及び／または少なくとも前記復元画像を格納するメモリを更に具備する請求項８８記載のカメラ。
【請求項９０】
前記処理手段は、前記不鮮明画像上で反転濾波法、渦巻マトリックス法、または最大エントロピー法の１つを利用して当該復元画像を生成する請求項８８記載のカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多重焦点非球面レンズを使用して撮像を行って拡大深度を得るシステム、方法、及び装置に関し、更に詳しくは、円形対称多重焦点非球面レンズを使用して不鮮明画像を取得し、この不鮮明画像を処理して画像内の単一または複数の被写体の焦点が合う拡大深度を有する復元画像を生成するシステム、方法、及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のディジタルカメラによる写真撮影では、あるシーンの画像内の単一または複数の被写体の焦点がカメラからの１つの距離（または距離の範囲）で合う場合、同一のシーンのこれら以外の複数の距離にある他の被写体の焦点はしばしば合わない。これは、特に撮像した画像が１０フィート以内のようなカメラに近く、しかも異なった距離にある場合に発生し、この場合、最適な焦点は１つの限定された距離の範囲に限定される。このような従来のディジタルカメラは、画像内の複数の被写体の焦点が合うこの限定された距離の範囲を変化させる焦点合わせ機構を有している。しかし、この焦点合わせ機構は、この距離の範囲外にある被写体の焦点が画像内で合わないのを防止することはできない。従って、ある距離の範囲に広がる同一の被写体の焦点、または異なった複数の距離にある異なった複数の被写体の全ての焦点をディジタルカメラによって取込んだ共通のシーンの画像内で合わせるような拡大深度を有する撮像を行うことが望ましい。
【０００３】
従来の研究では、アポディゼーションフィルタ−または意図的に不鮮明化した画像を処理するコンピューターのいずれかを使用することによって、深度を拡大する光学システムを開発し、これらは下記の学術文献に記載されている。Ｊ．Ｏｊｅｄａ−Ｃａｓｔａｎｅｄａ，Ｌ．Ｒ．Ｂｅｒｒｉｅｌ−Ｖａｌｄｏｓ，及びＥ．Ｍｏｎｔｅｓ，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．８，４５８（１９８３年）；Ｔ．−Ｃ．Ｐｏｏｎ，及びＭ．Ｍｏｔａｍｅｄｉ，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．２６，４６１２年１９８７年）；Ｊ．Ｏｊｅｄａ−Ｃａｓｔａｎｅｄａ，とＬ．Ｒ．Ｂｅｒｒｉｅｌ−Ｖａｌｄｏｓ，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．２９，９９４（１９９０年）；Ｅ．Ｒ．Ｄｏｗｓｋｉ，及びＷ．Ｔ．Ｃａｔｈｅｙ，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．３４，１８５９（１９９５年）；Ｊ．ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｇｒａｃｈｔ，Ｅ．Ｒ．Ｄｏｗｓｋｉ，Ｗ．Ｔ．Ｃａｔｈｙ及びＪ．Ｐ．Ｂｏｗｅｎ，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ  ２５３７，２７９（１９９５年）；Ｈ．Ｂ．Ｗａｃｈ，Ｗ．Ｔ．Ｃａｔｈｅｙ，及びＥ．Ｒ．Ｄｏｗｓｋｉ，Ｊｒ．，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．３７，５３５９（１９９８年）；Ｓ．Ｃ．Ｔｕｃｋｅｒ，Ｅ．Ｒ．Ｄｏｗｓｋｉ，及びＷ．Ｔ．Ｃａｔｈｅｙ，Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ  ４，４６７（１９９９年）。関連する研究は、また光軸に沿って光のエネルギーを集中させる光学要素であるアキシレンズ（ａｘｉｌｅｎｓ）に関して言及され、その文献は下記の通りである。Ｌ．Ｍ．Ｓｏｒｏｋｏ，Ｐｒｏｇｒｅｓｓ  ｉｎ  Ｏｐｔｉｃｓ，Ｅ．Ｗｏｌｆ，ｅｄ．Ｅｌｓｅｖｉｅｒ，  Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，１９８９年）、１０９−１６０頁，及びその中の参考文献；Ｊ．Ｓｏｃｈａｃｋｉ，Ｓ．Ｂａｒａ，Ｚ．Ｊａｒｏｓｚｅｗｉｃｚ，及びＡ．Ｋｏｌｏｄｚｉｅｊｃｚｙｋ，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．１７，７（１９９２年）；Ｊ．Ｓｏｃｈａｃｋｉ，Ａ．Ｋｏｌｏｄｚｉｅｊｃｚｙｋ，Ｚ．Ｊａｒｏｓｚｅｗｉｃｚ，及びＳ．Ｂａｒａ，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．３１，５３２６（１９９２年）。
【０００４】
本発明の特徴は、円形対称多重焦点非球面レンズを介して画像を取込んで不鮮明画像を生成し、この不鮮明画像をディジタル的に処理し、画像内の単数または複数の被写体の焦点が合う拡大深度を有する画像を生成することである。前述した文献に記載されている拡大深度に対する従来のアプローチは、円形対称多重焦点非球面レンズを使用するものではなく、このレンズを介して得た不鮮明画像を処理して拡大した深度で焦点の改善された画像を得るものでもない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の特徴は、画像を取り込んで処理し、円形対称多重焦点非球面レンズを使用して深度を拡大する改良されたシステム、方法、及び装置を提供することである。
【０００６】
本発明の他の特徴は、円形対称多重焦点非球面レンズを介して画像を取り込んで不鮮明画像を生成し、このレンズの点拡散機能に従ってこの不鮮明画像を処理し、ある距離の範囲にある１つ以上の被写体の焦点がこのレンズの多重焦点に従って合う復元画像を得ることである。
【０００７】
本発明の更に他の特徴は、円形対称多重焦点非球面レンズを介して取込んだ不鮮明画像のディジタル処理を、反転濾波法、渦巻マトリックス法、または最大エントロピー法のような種々の方法によって行うことである。
【０００８】
本発明の更に他の特徴は、いずれの特定の距離にあっても被写体の焦点を合わせるために従来技術のカメラが必要とした機械的な焦点合わせの必要をなくすため、拡大深度を有するカメラを提供することである。
【０００９】
簡単に説明すると、本発明を実施するシステムは、シーンの中の１つ以上の三次元被写体の画像を取込む円形対称多重焦点非球面レンズ（光学系）を有するディジタルカメラのような画像取り込手段と、画像を処理してこの画像内の単一または複数の被写体の焦点を合せる拡大深度（または距離の範囲）を有する復元画像を得るコンピュータシステムのような画像処理装置を有している。復元画像は、表示装置またはその他の周辺機器に出力する。画像処理装置は、画像取り込手段の一部でも良く、または不鮮明画像を受信する表示装置に結合された外部コンピュータシステムである。不鮮明画像の処理は、レンズの点拡散機能に従って反転フィルタ−法、渦巻マトリックス法（例えば、エッジ鮮鋭化マトリックス法）、または最大マトリックス法の１つによって行う。
【００１０】
この円形対称多重焦点非球面レンズは、その焦点距離がレンズの半径によって連続的に変化するという意味で多重焦点であり、この場合このレンズは下記の式によって特徴付けられている。
【００１１】
【数６】
2005513833.tif 000003
ここで、φ（ｒ）は任意の定数以内のレンズの半径ｒに対する位相遅れであり、前記範囲は距離ｓ１からｓ２にわたり、Ｒは当該レンズの外側半径であり、ｔは当該レンズが配設されている面から前記取込み手段によって取込んだ画像の面迄の距離であり、λ０は自由空間の波長である。
【００１２】
ディジタルカメラである画像取り込装置では、上述した多重焦点レンズは、カメラの従来の（写真）対物レンズまたはレンズシステムと代替されるものである。上述した多重レンズは、多重焦点不鮮明撮像を行う１つ以上の光学要素によって構成される。例えば、この多重焦点レンズは多重焦点位相板（またはマスク）であり、これはカメラの従来のレンズまたはレンズシステムと組み合わせて使用する。このことは特に有用であるが、その理由はこの多重焦点位相板を既存のカメラに容易に取り付けて上述した画像取込み装置を設けることができ、またカメラの従来のレンズに従った角視野を有することができるからである。これらのレンズは回折が制限されているが、ディジタルカメラを有するこのシステムは、ＣＣＤまたはその他の電子画像検出器に対するその信頼性によって、回折は制限されない。
【００１３】
この画像取込み装置はディジタルカメラ（スチルカメラまたはビデオカメラ）である以外に、これは更に、上述した多重焦点レンズ、または従来のカメラと移送板を介して取込んだ不鮮明画像をフイルム上に記録するフイルムをベースとしたカメラと、フイルムに記録した不鮮明画像を表す陽画または陰画の１つをディジタル化し、当該ディジタル化した不鮮明画像を生成するディジタル化スキャナーでもよく、この場合、画像処理装置は、ディジタル化した不鮮明画像を受信して処理し、復元画像を生成する。
【００１４】
単一または複数の被写体という用語は、あるシーンの中の物体、人物、または周囲の様子を意味するものであり、これは画像取込み装置から１つ以上の距離の範囲にあってもよく、または一定の距離の範囲に広がっていても良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１及び図１Ａを参照して、これらの図は統合撮像及び処理システム８を示し、これはディジタルカメラ（または画像取込み装置）１０を有し、このカメラには、多重焦点レンズ１４を介して被写体１３の画像を取込むＣＣＤアレイ検出器１１が設けられている。多重焦点レンズ１４とは、半径方向に焦点距離が連続して変化する円形対称レンズであり、その結果、１つまたは複数の三次元の被写体の場合、所望の距離範囲に於いて常にシャープに焦点の合った画像を提供するレンズの環状部が存在し、残りのレンズの部分は画像を不鮮明にする。このようなレンズ１４は非球面レンズであり、以下では対数非球面レンズと呼び、このレンズは、被写体の光軸の１つの画像点への延長部分を撮像するレンズの伝達機能を見出すために、フェルマットの原理（Ｆｅｒｍａｔ’ｓｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）を用いて設計されたものである。図示目的のため、被写体１３は階段のような１つの三次元被写体で示すが、この被写体１３は、１つのシーンに存在する複数の被写体であってもよい。被写体１３を取込んだ不鮮明画像は二次元のピクセルのアレイを表すことができ、各ピクセルは、カメラのＣＣＤの解像度によって決まる値を有している。例えば、８、１６、または３２ビットの解像度を使用することができる。カメラ１０によって取込んだ被写体１３の各不鮮明画像は、プログラムを有するマイクロプロセッサまたはコンピュータシステム１６によって代表される画像処理装置に出力され、この装置はこの画像を処理し、処理した画像を表示装置１８に出力する。画像処理は、反転フィルター、または渦巻マトリックスによって行われてもよく、これらはカメラ１０から取込んだ不鮮明画像のピクセルに対して行われ、被写体の焦点が画像内で合っている拡大焦点深度を有する被写体の復元画像を生成する。渦巻マトリックスは、エッジ鮮鋭化フィルターである。最大エントロピー法のような他の画像復元法をまた使用することもできる。図１及び図１Ｃに示すように、レンズ１４は点対点の撮像と不鮮明化を行う１つ以上の光学要素であり、または、このレンズ１４は、図１Ｄに示すように、撮像を行う対物レンズ１５によってカスケードの関係で不鮮明化を行う位相板（またはマスク）１４ａ（ここでは、対数非球面位相板と呼ぶ）でもよい。例えば、点対点撮像用の対物レンズ１５は、従来の写真用レンズである。レンズ１４と位相板１４ａは、解像度の回折が制限されている。レンズ１４の設計及びこのレンズによって取込んだ画像のディジタル処理は、以下で詳細に述べる。
【００１６】
コンピュータシステム１６は、パソコン、ワークステーション、ラップトップ、またはその他の種類のコンピュータシステムであり、表示装置１８はＣＲＴまたはＬＣＤ表示装置である。コンピュータシステム１６は、また不鮮明画像と回復画像をハードディスクや光ディスクのようなメモリに格納し、またはこれらをプリンタのような他の周辺機器に出力し、またはモデム、イーサネット、インターネット、Ｔ１ライン等のネットワークのインターフェースを介して他のコンピュータをベースにしたシステムに出力する。取込んだ画像のコンピュータシステム１６に対する出力は、従来のディジタルカメラが画像（または画像ファイル）をコンピュータシステムに転送するために使用する一般的なインターフェースポート（ケーブルまたは光学系）を介して行ってもよく、またはこの取込んだ画像をメモリカード、メモリチップ、ディスク、ＰＣＭＣＩＡカード等のような脱着可能メモリに格納することによって行ってもよく、後者の場合この脱着可能メモリを画像処理のため別のコンピュータシステム１６に取り付け、この処理をこの脱着可能メモリから画像を読み込むのに適したインターフェースを介して行ってもよい。
【００１７】
または、プログラム付マイクロプロセッサーまたはコンピュータシステム１６（表示装置１８を付設してもよいし、しなくてもよい）をカメラ１０の一部として設けてもよい。従って、システム８をレンズ１４を介して撮像を行うディジタルカメラのハウジングに取付けることができ、この場合、このカメラはコンピュータシステム１６によってデジタル画像処理を行うことができる。
【００１８】
カメラ１０は、図１に示すように、その対物レンズをレンズ１４と交換することによって使用する一般的なディジタルカメラであり、このレンズ１４は円形対称非球面ボディーを有する単一の要素によって構成され、または図１Ｃに示すように、複数の光学要素によって構成され、または図１Ｄに示すように、カメラの対物レンズ１５と組み合わされた対数非球面位相板１４ａによって構成されている。図１Ｃには２つの光学要素を示しているが、２つ以上の光学要素を使用することができる。ここで説明するカメラは静止画像用であるが、これは連続画像を撮像するデジタルビデオカメラでもよく、この場合各画像をコンピュータシステム１６によって略リアルタイムで処理する。ここではグレイスケールによる撮像を説明しているが、適当なＣＣＤアレイ（単数または複数）を設けることにより、カラーによる撮像を行うことができる。レンズ１４を有するディジタルカメラの１つの利点は、撮像したシーン内で異なった距離に位置する複数の物理的被写体の焦点が、出力した画像内で合うことである。このことは、システム８を有さない従来のディジタルカメラの場合、ＣＣＤアレイ上の１つの距離において１つの被写体の焦点が合うのは、同じシーンの他の複数の距離に位置する他の複数の被写体の焦点が合わないことの結果に由来するものであることと対照的である。レンズ１４または位相板１４ａでは回折が制限されているが、このようなレンズまはた位相板を使用するディジタルカメラは、ＣＣＤアレイ（単数または複数）またはその他の電子画像検出器（単数または複数）のピクセルサイズによって解像度の回折は制限されない。
【００１９】
レンズ１４とこのレンズを介して行われる取込んだ不鮮明画像の処理の基礎となる理論は、下記の通りである。この議論では、図１に示す三次元の階段のような被写体（Ｏ）１３の画像をカメラ１０を使用し、非球面レンズ（Ｌ）１４を介して記録し（取込み）、記録した不鮮明画像をコンピュータシステム（ＤＰ）１６によってディジタル的に処理し、表示装置（Ｄ）１８に表示する。図２の光学図を、先ず考える。距離ｓ１から距離ｓ２の範囲にある被写体の点の焦点は、焦点距離を連続して半径方向に変化させることによって平面（ＩＩ）上の点Ｐで合う。レンズをそれぞれが異なった焦点距離を有する複数の環状リングに分割すると、ｎ番目のリングに対して半径ｒｎを選択することによりＮ個のリングの各々に対して同一の面積が得られることを検証することができる。
【００２０】
【数７】
2005513833.tif 000004
ここで、Ｒは平面（Ｉ）上におけるレンズの外半径である。
環状リングｒｎを通過する光によってχ（ｒｎ）に於ける点Ｓを撮像する場合を考える。均一または自然の照明を行うため、ｓ１からｓ２までの間隔をＮ個のセグメントに分割し、χ（ｒｎ）セグメントを選択し、下記のように重み付けする。
【００２１】
【数８】
2005513833.tif 000005
比率ｎ／Ｎを消去するため、式（１）と（２）を結合すると、レンズに対する下記の基本的な式が得られる。
【００２２】
【数９】
2005513833.tif 000006
物理光学で周知のように、レンズの一般的な伝達機能ｔ（ｒ）は、下記の形で書き表すことができる。
【００２３】
【数１０】
2005513833.tif 000007
ここで、φ（ｒ）は位相遅れである。この位相遅れφ（ｒ）の形は、フェルマットの原理を適応することによって得ることができ、これはＲ．Ｋ．Ｌｕｎｅｂｕｒｇ，  Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ  Ｔｈｅｏｒｙ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃｓ（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｃａｌｉｆｉｒｎｉａ，１９６４）、ｐ．８６
を参照のこと。先ず、（ＳＯＰ）を通過する光に対する合計光学長Ｌに対する式は、下記のように書き表すことができる。
【００２４】
【数１１】
2005513833.tif 000008
ここで、ｔはレンズ面（Ｉ）から面（ＩＩ）までの距離であり、λ０は自由空間の波長である。
フェルマットの原理と式（５）から、∂Ｌ／∂ｒと置き、χを定数とすれば、式（３）によって、位相遅れφ（ｒ）に対し下記の式が得られる。
【００２５】
【数１２】
2005513833.tif 000009
これは直接積分することができ（例えば、Ｈ．Ｂ．Ｄｗｉｇｈｔ，  Ｔａｂｌｅｓ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｇｒａｌｓ  ａｎｄ  ｏｔｈｅｒ  Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ  Ｄａｔａ  （Ｍａｃｍｉｌｌａｎ，  Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，  １９４７）  Ｅｑ．  ３８０．０００、ｐ．７０参照）、これによって対数非球面レンズの基本公式を得ることができ、これは次の２つの項で表される。
【００２６】
【数１３】
2005513833.tif 000010
第１項は、被写体の点が無限大に位置する場合の点対点の撮像用の理想的なレンズを示し、第２項は制御された不鮮明または収差を導くものである。レンズ設計の第１段階として、ｓ１＝６１０ｍｍ、ｓ２＝６１００ｍｍ、Ｒ＝５ｍｍ、及びｔ＝２５ｍｍを使用した式（７）の冪級数展開式を形成するのが有用であり、式（７）の第１項及び第２項は下記の通りである。
【００２７】
【数１４】
2005513833.tif 000011
これらの展開式は、括弧内の項に対して±１０−５ｍｍ迄正確である。これらの展開式は、ＭａｔｈｅｍａｔｉｃａのＮｏｎｌｉｎｅａｒＦｉｔを使用して得ることができ、これは、Ｓ．Ｗｏｌｆｒａｍ，Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ  Ｓｏｆｔｗａｒｅ  ４．０（Ｗｏｌｆｒａｍ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｃｈａｍｐａｉｇｎ，  ２０００）  Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ  ＮｏｎＬｉｎｅａｒＦｉｔ，Ｓｅｃ．３．８．１（２０００）に記述されている。ｓ１、ｓ２、Ｒ及びｔに対して別の値を使用し非球面レンズに対する撮像の用途に従って異なるφ（ｒ）を与えてもよい。
【００２８】
対数非球面レンズ１４はｔを２４ｍｍから８０ｍｍ迄変化させて製作するが、このｔに対して別の値を使用することもできる。最近の光学系の製作方法の進歩により、この種の対数非球面レンズを実用化することが可能になっている。この対数非球面レンズは、コンピュータ制御非球面研削盤ＯｐｔｉＰｒｏ  モデルＳＸ５０及びＱＥＤ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ＬＬＣ，Ｒｏｃｈｅｓｔｅｒ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋから市販されているＭａｇｎｅｔｏ−Ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ  Ｆｉｎｉｓｈｅｒを使用して製作することができる。これらのレンズは、光学級の水晶を使用して、全体として１／１０の波長のオーダーの精度で製作する。このカメラの対数非球面レンズの点拡散機能を測定することによって、このレンズが理論に一致し、コンピュータシステム１６の処理により行われた復元に対して適度に不鮮明化した画像を得ることができることが保証されているか否かを判断することができる。前に述べたように、製作したレンズ１４は円形対称レンズであり、このレンズは、焦点距離がレンズの半径に従って連続的に変化する多重焦点レンズである。
【００２９】
前に述べたように、レンズ１４には、式（７）のφ（ｒ）に従って、２段階の光学システムを設けてもよく、この場合、レンズ１４には従来の（写真）レンズ１５と多重焦点位相（コレクタ）板１４ａ、即ち、対数非球面位相板を設け、この位相板は、図１Ｄのブロック図に示すように、コンピュータシステム１６の処理により行われた復元に対して適度に不鮮明化した画像を生成することができる。換言すれば、２個の別個のレンズによって、撮像と非鮮明化の両方を行うことができ、単一レンズ１４と比較して、一方のレンズ１５によって理想的な撮像を行い、他方の位相板１４ａで制御された非鮮明化を行う。いずれの対数非球面レンズ１４に対しても、これに対応する非鮮明化用位相マスク１４ａが存在する。位相板１４ａは、非球面レンズを製作するために上述したのと同一の機械を使用して製作することができる。位相マスク１４ａは、拡大深度を達成するため、どのような写真レンズ１５を有する光学システムにも挿入することが可能である。例えば、二重ガウスレンズの設計を高品質の写真レンズに一般的に使用し、位相板を絞りの面に位置させてもよい。基本的に、この面を通過する全ての光線は、これによってこの位相板を通過し、画像に貢献する。位相板１４ａは光線の経路の他の場所に位置させてもよいが、絞りまたは光のカメラへの入口面に位置させるのが、好ましい。従って、位相板１４ａを有する従来の撮像レンズ１５のカスケードによって、従来の撮像レンズによって得られる角視野全体にわたって拡大深度を得ることができる。例えば、もしレンズ１５が広角機能を有していれば、これは拡大深度を有する特徴として保持することができる。
【００３０】
対数非球面レンズを使用して行う撮像とこれによって得られる深度の１例を、図１に示すように、軸方向にΔｓ５０ｍｍの間隔を有する１２段の三次元被写体を使用して以下で説明する。対数非球面レンズはｔ＝６０ｍｍに設定され、モノクロＣＤＤアレイは２３平方μｍのピクセルサイズを有し、これによって、システムの基本的な解像度を制限する。各段の垂直面上にストリップ解像度チャートを載置するが、このチャートは、図１Ａに示すように、鳥のさえずりのような一連の垂直線に沿って一連のサイズが変化するアルファベット文字を有している。
【００３１】
取込んだ被写体の非鮮明画像をコンピュータシステム１６によってディジタル処理することにより、復元した画像を生成し、この復元画像では、被写体は、この被写体が広がっている距離の範囲内で、観察可能かつその焦点があっている。不鮮明画像を復元する１つの方法は、このレンズの測定した点拡散機能に基づいて（画像面内の）写真空間において、反転フィルターまたはこれと同等のマトリックスを使用することである。このような画像面のマトリックスは、渦巻濾波に対して使用する。このフィルターは、フーリェ面Ｗｉｅｎｅｒ−Ｈｅｌｓｔｒｏｍ反転フィルタ−を反転することによって得ることができ、このことは、Ｂ．Ｒ．Ｈｕｎｔ，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ．Ｃ−２２，８０５（１９７３），及びＲ．Ｃ．Ｇｏｎｚａｌｅｚ，及びＲ．Ｅ．Ｗｏｏｄｓ，Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｉｍａｇｅ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（Ａｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙ，１９９２），ｐ．２１８に記載されている。このＷｉｅｎｅｒ−Ｈｅｌｓｔｒｏｍ反転フィルター及びその反転フィルターを下記に示す。
【００３２】
【数１５】
2005513833.tif 000012
不鮮明画像に適用する渦巻マトリックス法は、例えば、下記に示すような５×５または３×３のマトリックスである。この３×３マトリックスは、エッジ鮮鋭化マトリックスに非常に近い。従って、このフィルターは点拡散機能に大きく依存する必要はない。
【００３３】
【数１６】
2005513833.tif 000013
図３は、復元した（処理した）三次元の階段の被写体の一部を示し、これは被写体の距離が２５０ｍｍ変化する６段を有している。焦点のあった位置（図３のΔ）は、χ＝９５０ｍｍである。図４Ａは、図３の３０に位置する最終処理画像の拡大図を示し、この画像は最も良く焦点が合った面と比較して２５０ｍｍ（５段）レンズに近い。比較のため、図４Ｂにはシステム８の対数非球面レンズではなく、ニコンの６０ｍｍの（対物）レンズを使用した不鮮明画像を示すが、このレンズはシステム８と同じｆ／Ｄを有している。この画像は、前に説明した被写体と同じ位置にある被写体を使用して得たものである。対数非球面レンズによって、大きく拡大した深度が得られる。
【００３４】
対数非球面レンズを使用した他の例では、解像度は、図５に示すように距離の関数として測定する。データを各段（５０ｍｍ）毎に取込み、５つの読み取り値の平均値を、エラーバーと共に実線としてプロットする。細線で示す鳥の鳴き声のチャート（図１Ａの階段の被写体の左側）を使用して解像度を測定することを除いて、前に説明したセットアップと同じセットアップを使用する。その結果、ピクセルサイズは１０μｍに減少した。点線は２３μｍのピクセルサイズに対する解像度の限度を示す。比較のため、非球面レンズの代わりにニコンの６０ｍｍ（対物）レンズを使用して同一の条件で得た解像度を、また図５に破線で示す。これらのデータから、対数非球面レンズ１４を有するカメラ１０の深度が増していることが示されている。
【００３５】
または、コンピュータシステム１８に最大エントロピー法をプログラムし、反転フィルター（または渦巻フィルター）を使用する代わりに被写体１３の不鮮明画像を復元してもよい。この最大エントロピー法は、Ｓ．Ｆ．Ｇｕｌｌ及びＪ．Ｓｋｉｌｌｉｎｇ，  Ｍａｘｉｍｕｍ  Ｅｎｔｒｏｐｙ  ＭｅｔｈｏｄＩｎ  Ｉｍａｇｅ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ＩＥＥ  Ｐｒｏｃ．，Ｖｏｌ，１３１、ＰＴ．Ｆ，Ｎｏ．６，  ６４６−６５９頁（１９８４年）に記載されている。最大エントロピー法の基本的なプロセスを、図６に示す。これは対話式のプロセスであり、各サイクルに於いて、取込んだ被写体の不鮮明画像と測定点のソース機能を巻込んでいる推定された被写体から生成した、計算された不鮮明画像との差を判定する。この推定した被写体が復元した被写体の画像を表す時点に於いて、この差がノイズ未満（またはノイズの許容範囲内）になる迄、この差を使用して次のサイクルとその後続のサイクルに於ける推定被写体を変更する。
【００３６】
この最大エントロピー法によれば、前に述べた反転フィルター法に比べて、ノイズがより少なく解像度がより高い画像を得ることができ、これは図７〜図１３の比較画像とグラフに示している。第１例に於いて、図７Ａは２点ソースの被写体１３を示し、図７Ｂは２点被写体のコンピュータによってシュミレーションを行った不鮮明画像を示す。コンピュータシステム１６は、反転濾波法によって不鮮明画像を処理して図７Ｃに示す復元画像を生成し、またこの画像を最大エントロピーによって処理して図７Ｄに示す復元画像を生成する。図８は、図７Ｃと図７Ｄの復元画像のそれぞれに於ける２点ソース被写体を通過する対角線上のピクセルの位置に於けるピクセル値のグラフであり、これは反転濾波法と最大エントロピー法の２つの復元法の比較を行うものである。各画像の対角線は、（図８のグラフに於いて図７Ｂの画像に図示するように）２点ソース被写体３２の不鮮明画像（図７Ｂ）を通る白線３１の位置によって示す。このグラフが示すように、最大エントロピー法は、反転濾波法と比較して解像度が高くノイズの小さい画像を提供するというより優れた結果を生んだが、濾波法ではノイズが大きくなっている。比較目的のため、図７Ｂの不鮮明画像の対角線３１上のピクセル位置に於けるピクセル値は、図８に於いて点線で示している。
【００３７】
第２例では、図１Ａの階段の被写体１３の右側部分（文字）に対してシステム８が取得及び処理を行った画像を、図９Ａ〜図９Ｃに示し、図９Ａは、カメラ１０の取込んだノイズを有する不鮮明画像を示す。図９Ｂと図９Ｃは、２つの異なったノイズモデル（Ａ）と（Ｂ）をそれぞれ使用して反転濾波法によって処理した不鮮明画像の回復画像を示し、一方図９Ｄは最大エントロピー法によって処理した不鮮明画像の回復画像を示す。図１０は、図９Ｄの最大エントロピー法及び図９Ｂの反転フィルター（Ａ）によって処理した復元画像を通る線上のピクセルの鮮鋭度を比較する図である。図１１は、図９Ｄの最大エントロピー法及び図９Ｃの反転フィルター（Ｂ）によって処理した復元画像を通る線上のピクセルの鮮鋭度を比較する図である。図１０と図１１で分析した各画像のこの線の位置は、図９Ａの不鮮明画像に於いて白線３３によって示す。線３３は、図１０と図１１のグラフの下部にまた表示されている。図１１Ａは、ピクセル位置１６２〜１７８のピクセルの位置の間に於ける図１０及び図１１のグラフの部分の詳細図である。図１０、図１１及び図１１Ａに於いて、横軸は線上のピクセル位置を示し、縦軸は鮮鋭度を示すが、この鮮鋭度は同一のピクセル位置に於ける不鮮明画像（図９Ａ）のピクセル値に対するそれぞれの復元画像のピクセル値の比率によって測定する。
【００３８】
第３実施例に於いて、対数非球面レンズの点拡散機能を有する虎の画像のコンピュータシュミレーションを使用して図１２Ａの不鮮明画像を生成し、復元した画像を、図１２Ｂのエッジ鮮鋭化フィルター、図１２Ｃの反転フィルター、及び図１２Ｄの最大エントロピー法を使用した処理によって示す。図１３〜図１３Ｄは、図１２Ａに示す箱の白線３４によって図示する各画像内に位置する同一の正方形領域に於けるそれぞれの図１２Ａ〜図１２Ｄの各画像の正方形領域に対応する拡大画像である。これは、システム８に於いて、取込んだ不鮮明画像に対して異なった技術を適用し、拡大深度を有する復元画像を生成しているが、この復元画像の品質は所望の処理方法によって決まることをまた図示している。最大エントロピー法は、エッジ鮮鋭化フィルターまたは反転フィルターと比較して、より鮮鋭に焦点の合った画像を提供する。しかし、画像の処理速度を向上させるため、画像面濾波、エッジ鮮鋭化またはその他の渦巻フィルターを選択して使用することができる。
【００３９】
円形対称多重焦点非球面レンズ１４の１つの用途は、２つの特に明確な動作距離を提供することであり、これらの距離の１つは腕の長さ、例えば、２フィートであり、他の距離はより長い距離、例えば、２０フィートから無限大である。カメラ１０は、ディジタルスチルカメラまたは単独使用カメラとして設計することができ、後者のカメラでは遠方の背景にある風景と共に自分自身の写真を撮ることができる。
【００４０】
前に述べたように、レンズ１４を有するカメラ１０は、風景、家族のグループなどの従来の撮影に使用することができ、これは、対数非球面レンズ、ＣＣＤアレイ１１、電子部品、及びコンピュータ処理手段１６によって構成され、この手段１６はカメラに搭載されてもよいし、この手段によって後で処理を行う場合もある。このシステムでは、従来のカメラのような機械的な焦点合わせは必要としないが、これは、この特別なレンズ１４の拡大深度（距離範囲）特性内では、写真（画像）の深度内にある全ての被写体または主題の焦点が合うからである。
【００４１】
前に述べたように、レンズ１４は、何れかの従来の（例えば、３５ｍｍ）カメラのレンズ１５（図１Ｄ）を有する対数位相板１４Ａによって構成することができる。この位相板は、３５ｍｍの写真撮影に於いて、ＵＶフィルターまたはカラー用バンドパスフィルターを使用するのと同様に、いずれの従来のレンズにも搭載することができ、または絞りのようなカメラの他の場所に取り付けることもできる。この位相板をディジタルスチルカメラに取り付けることにより、拡大深度を得るため、ＣＣＤアレイからの出力（不鮮明画像）を前に述べたように処理する。従って、カメラ１０は、非球面レンズ１４、または従来のレンズ１４と位相板１４ａの一方を有するディジタル（ＣＣＤ）スチルカメラまたはビデオカメラである。
【００４２】
カメラ１０はＣＣＤアレイ（単数または複数）を使用するものとして図示しているが、ＣＭＯＳ、ＣＩＤ等の他のフォト検出器のアレイを使用してもよい。カメラ１０がビデオカメラである場合、これは特に有用であるが、それは非常に低い光のレベルで大きく拡大した深度で映画を撮ることができる、または大きな絞りを使用することができるからである。カメラ１０、及び一般的にシステム８の解像度は、このカメラのＣＣＤアレイのピクセルサイズによって制限されている、即ち、これは回折が制限されていない。
【００４３】
オプションとして、非球面レンズ１４、または図１Ｃに示すように、従来のレンズ１５と位相板１４ａの一方有するフイルムをベースとするカメラであるカメラ１０と共に使用することができる。このフィルムをベースとするカメラから得られた不鮮明画像を有する陽画（または陰画）をスキャナーによって走査することによってディジタル化した不鮮明画像を生成し、このディジタル化した不鮮明画像をコンピュータシステム１８に取込み（またはファイルをインポートし）、次にディジタル的に取込んだ不鮮明画像を前に述べたように処理して復元画像を得る。フイルムを使用する場合、多重焦点非球面レンズ１４は回折が制限されている、即ち、これは拡大深度を提供し、多重焦点非球面レンズに対する点拡散機能によって証明されているように、その回折が制限されている。
【００４４】
非球面レンズ（または従来のレンズと位相板）を有する本発明の提供するシステム８は、スマートカメラと呼ぶ。写真撮影で深度が制限されていることは大きな障害であり、これによってカメラの設計が非常に複雑になる。スマートカメラでは、ＣＣＤによって取込んだ写真（画像）は意図的に不鮮明化され、色彩補正のため、ディジタル画像処理をまた使用することができる。１個の対数非球面レンズ、及びこれとは別にニコン６０ｍｍレンズを有する位相マスク（または位相板）の幾つかの例をここでは説明した。画像処理の結果を、Ｗｉｅｎｅｒ−Ｈｅｌｓｔｒｏｍ反転フィルタ−と最大エントロピー法とを比較して示し、後者によってより優れた画像の品質が得られる。用途には、ディジタルビデオカメラ、ＤＶＤピックアップ装置、手持ちのラベルスキャナー、単独使用カメラ、またはその他の拡大深度での撮像を必要とする用途が含まれる。
【００４５】
上述した対数非球面レンズ１４は、新しい種類のレンズである。式（３）及び後続の式（６）と（７）に於いて、比率（ｒ／Ｒ）の重み付けを変化させることによって、半径に対する焦点距離を変化させるため、この種類の種々の異なったレンズが提供され、従って、このレンズを製作した場合、異なった位相遅延関数φ（ｒ）を得ることができる。このような異なったレンズの各々は、上述したシステム８またはその他の撮像の用途に於いて、異なった拡大深度の性能を有することができる。
【００４６】
上述したところから、撮像用の改良されたシステム、方法、及び装置が提供されることが明らかであり、これらのシステム、方法、及び装置は、対数多重焦点非球面レンズ並びに新しい種類の対数多重焦点非球面レンズを使用している。ここで説明したシステム、方法、及び装置の変形及び改良が当業者にとって明らかであることは疑う余地がない。従って、上述した説明は例示目的のためであり、本発明を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明によるシステムのブロック図である。
【図１．Ａ】図１のシステムを図示するために使用する階段を表す三次元の被写体の一例を示し、図１Ａはこの階段の斜視図である。
【図１．Ｂ】図１Ｂは、図１Ａの階段の各垂直面の詳細図を示す。
【図１．Ｃ】図１のカメラの対数非球面レンズを示すブロック図であり、このレンズには複数の光学要素が設けられている。
【図１．Ｄ】図１のカメラの他の実施例を示すブロック図であり、対数非球面レンズには位相板を設け、この位相板はカメラの対物レンズとカスケードの関係にある。
【図２】図１のシステムに於けるレンズの理論の概念を示す光学図である。
【図３】図１のシステムによる図１Ａの三次元被写体の右側（距離が異なると文字サイズが大きくなる各段）を復元した画像を示す一例である。
【図４．Ａ】図３の復元画像の第１段目の部分詳細図である。
【図４．Ｂ】本発明による多重焦点レンズではなく、従来の対物レンズを介して図１のカメラで取込んだ図１Ａの被写体の第一段目の同じ部分の画像である。
【図５】解像度（ｍｍ−１）対被写体の距離（ｍｍ）のグラフであり、ここで実線は図１のシステムによって撮像した被写体の改良した解像度を示し、破線は同じ被写体を従来の対物レンズを介してカメラで撮像した場合の解像度を示す。
【図６】図１のカメラによって取込んだ被写体の不鮮明画像を復元するために使用することのできる最大エントロピー処理の概念を示す。
【図７】２点ソース被写体の例に対して行われた反転フィルター法と最大エントロピー法による復元処理を比較をしたコンピュータシュミレーションを示し、図７Ａは２点ソース被写体の画像を示し、図７Ｂは図７Ａのこの２点ソース被写体の不鮮明画像を示し、図７Ｃは図７Ｂの不鮮明画像を反転フィルター法によって処理した結果得られた復元画像を示し、図７Ｄは図７Ｂの不鮮明画像を最大エントロピー法によって処理した結果得られた復元画像を示す。
【図８】図７Ｂ、図７Ｃ、及び図７Ｄの各画像を介する同一の対角線上の異なったピクセルの位置に対するピクセル値を示すグラフであり、最大エントロピー法（図７Ｄ）によって復元した画像の線のピクセル値は実線で示し、反転フィルター法（図７Ｃ）によって復元した画像の線のピクセル値は破線によって示し、不鮮明画像（図７Ｂ）の線のピクセル値は点線で示す。
【図９】図１のシステムに於ける図１Ａの階段の被写体の右側の部分（文字）に対して行われた反転フィルター法及び最大エントロピー法による復元処理の比較を示し、図９Ａは被写体の不鮮明画像を示し、図９Ｂ及び図９Ｃは（Ａ）と（Ｂ）で示すウイナー−ヘルストロム（Ｗｉｅｎｅｒ−Ｈｅｌｓｔｒｏｍ）の異なったノイズモデルを使用する反転濾波法によって図９Ａの不鮮明画像を処理した結果得られた復元画像を示し、図９Ｄは図９Ａの不鮮明画像を最大エントロピー法によって処理した結果得られた復元画像を示す。
【図１０】図９Ｄの最大エントロピー法によって画像を回復させた場合の線上のピクセルの鮮鋭度を破線で示し、図９Ｂの反転フィルター（Ａ）によって画像を回復させた場合の線上のピクセルの鮮鋭度を実線によって示す場合、これらの鮮鋭度の比較を示すグラフであり、各画像の線上の位置は、例えば、図９Ａの不鮮明画像の線によって示す。
【図１１】図９Ｄの最大エントロピー法によって画像を回復させた場合の線上のピクセルの鮮鋭度を破線で示し、図９Ｃの反転フィルター（Ｂ）によって画像を回復させた場合の線上のピクセルの鮮鋭度を実線によって示す場合、これらの鮮鋭度の比較を示すグラフであり、各画像の線上の位置は、例えば、図９Ａの不鮮明画像の線によって示す。図１１Ａは、図１０と図１１のグラフを組み合わせたより詳細な図であり、図９（最大エントロピー法）の回復画像の線上のピクセルの鮮鋭度は点線で示し、図９Ｃ（反転フィルター（Ａ））の回復画像は実線で示し、図９Ｃ（反転フィルター（Ｂ））の回復画像は破線で示す。
【図１２】図１２Ｂで鮮鋭度化フィルターを使用し、図１２Ｃで反転フィルターを使用し、図１２Ｄで最大エントロピー法を使用することによって図１２のノイズのある不鮮明画像に対して行われた異なった処理を比較する画像のコンピュータシュミレーションを示す。
【図１３】それぞれ図１２Ａ、図１２Ｂ、図１２Ｃ及び図１２Ｄの正方形の領域に対応する拡大画像を示し、各画像に於ける正方形の領域の位置は図１２Ａのボックスによって示す。
【図１】
2005513833.tif 000019
【図１．Ａ】
2005513833.tif 000020
【図１．Ｂ】
2005513833.tif 000021
【図１．Ｃ】
2005513833.tif 000022
【図１．Ｄ】
2005513833.tif 000023
【図２】
2005513833.tif 000024
【図３】
2005513833.tif 000025
【図４．Ａ】
2005513833.tif 000026
【図４．Ｂ】
2005513833.tif 000027
【図５】
2005513833.tif 000028
【図６】
2005513833.tif 000029
【図７】
2005513833.tif 000030
【図８】
2005513833.tif 000031
【図９】
2005513833.tif 000032
【図１０】
2005513833.tif 000033
【図１１】
2005513833.tif 000034
【図１２】
2005513833.tif 000035
【図１３】
2005513833.tif 000036
【手続補正書】
【提出日】平成16年8月23日(2004.8.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円形対称多重焦点非球面レンズを介して少なくとも１つの被写体の画像を取込み、不鮮明画像を生成する手段；及び
当該取込んだ不鮮明画像を最大エントロピー法によって処理し、拡大深度を有する該被写体の復元画像を生成する手段；
を具備する１個以上の被写体を撮像するシステム。
【請求項２】
前記被写体は、距離の範囲に広がる三次元被写体であり、前記拡大深度は、距離の範囲の前記復元画像内でその焦点が合っている当該三次元被写体の少なくとも実質的な部分によって特徴付けられている請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記レンズは、半径と、当該レンズの前記半径に応じて焦点距離が連続的に変化する複数の環状部分を有し、前記範囲内の各距離に於いて前記被写体の焦点が前記レンズの前記複数の環状部分の少なくとも１つの部分に於いて合い、前記被写体は前記レンズの前記複数の環状部分の内の他の部分によって不鮮明化される請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記レンズは半径を有し、前記レンズはその半径に従って連続的に変化する焦点距離を有することによる多重焦点レンズである請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記レンズは、下記の式によって特徴づけられる請求項１記載のシステム。
【数１】
2005513833.tif 000037
ここで、φ（ｒ）は任意の定数以内のレンズの半径ｒに対する位相遅れであり、前記範囲は距離ｓ１からｓ２であり、Ｒは当該レンズの外側半径であり、ｔは当該レンズが配設されている面から前記取込み手段によって取込んだ画像の面迄の距離であり、λ０は自由空間の波長である。
【請求項６】
φ（ｒ）によって特徴づけられた前記レンズの中で、前記レンズの半径に対する前記レンズの焦点距離の比率を変化させるため、前記比率ｒ／Ｒの重み付けを変化させることによって、異なったレンズを提供する請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記処理手段は、当該レンズの点拡散機能に従って動作可能である請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記処理手段は、コンピュータシステムである請求項１記載のシステム。
【請求項９】
更に前記復元画像を出力する手段を具備する請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
前記出力手段は、表示装置である請求項９記載のシステム。
【請求項１１】
前記レンズは、１つの光学要素によって構成される請求項１記載のシステム。
【請求項１２】
前記レンズは、複数の光学要素を有する光学システムによって構成される請求項１記載のシステム。
【請求項１３】
前記複数の光学要素は、多重焦点位相板と対物レンズである請求項１２記載のシステム。
【請求項１４】
前記取込み手段の角視野は、当該対物レンズの角視野に従う請求項１３記載のシステム。
【請求項１５】
前記取込み手段は、少なくとも前記レンズを介して前記不鮮明画像を取込むカメラを具備し、前記カメラは前記不鮮明画像を前記処理手段に供給する手段を更に具備する請求項１記載のシステム。
【請求項１６】
前記供給手段は前記不鮮明画像を格納するための前記カメラ内の取外し可能メモリを具備し、前記処理手段は前記取外し可能メモリにアクセスして前記不鮮明画像を取出す手段を具備する請求項１５記載のシステム。
【請求項１７】
前記供給手段は、前記不鮮明画像を前記処理手段に転送する前記カメラと前記処理手段との間のケーブルまたは光学的接続部の１つを具備する請求項１５記載のシステム。
【請求項１８】
前記カメラは、ディジタルスチルカメラまたはビデオカメラである請求項１５記載のシステム。
【請求項１９】
前記カメラは前記複数の不鮮明画像の複数の連続画像を前記処理手段に供給するディジタルビデオカメラであり、前記処理手段は前記複数の不鮮明画像の前記複数の連続画像の各々を処理して対応する複数の連続復元画像を生成する請求項１５記載のシステム。
【請求項２０】
前記カメラは、少なくとも前記レンズを介して前記不鮮明画像を取込む少なくとも１つのフォト検出器アレイを有する請求項１５記載のシステム。
【請求項２１】
前記取込み手段は、少なくとも前記レンズを介して前記不鮮明画像を取込むカメラを具備し、前記カメラは前記不鮮明画像から前記復元画像を生成する前記処理手段を更に具備する請求項１記載のシステム。
【請求項２２】
前記レンズは、１つ以上の光学要素である請求項２１記載のシステム。
【請求項２３】
前記カメラは、前記復元画像を出力する表示装置を有する請求項２１記載のシステム。
【請求項２４】
前記カメラは、ディジタルスチルカメラまたはビデオカメラである請求項２１記載のシステム。
【請求項２５】
前記処理手段は前記不鮮明画像から前記復元画像を生成する前記カメラ内のマイクロプロセッサーをベースとするシステムであり、前記カメラは前記不鮮明画像、前記復元画像、または前記不鮮明画像と復元画像の両方を格納するメモリを具備する請求項２１記載のシステム。
【請求項２６】
前記カメラは、少なくとも前記レンズを介して前記不鮮明画像を取込む少なくとも１つのフォト検出器アレイを有する請求項２１記載のシステム。
【請求項２７】
前記取込み手段は、少なくとも前記レンズを介して取込んだ前記不鮮明画像をフイルム上に記録するカメラ、及び前記フイルム上に記録した前記不鮮明画像を表す陽画または陰画の１つをディジタル化し、当該ディジタル化した不鮮明画像を生成する手段であり、前記処理手段は前記復元画像を生成するために前記ディジタル化した不鮮明画像上で動作する請求項１記載のシステム。
【請求項２８】
前記取込み手段は、当該不鮮明画像を記録するピクセルのアレイを構成する少なくとも１つのＣＣＤを具備し、各ピクセルはある寸法を有し、前記システムの前記撮像解像度は前記ピクセルの前記サイズによって決まる請求項１記載の方法。
【請求項２９】
前記レンズは、回折が制限されている請求項１記載のシステム。
【請求項３０】
前記レンズは、前記取込み手段に対して前記システムの２つ以上の動作距離を設ける請求項１記載のシステム。
【請求項３１】
前記レンズは、対数位相機能を有することを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項３２】
円形対称非球面レンズを介して少なくとも１つの被写体を撮像し、不鮮明画像を生成するステップ；及び
前記不鮮明画像を最大エントロピー法によって処理し、拡大深度を有する当該被写体の復元画像を生成するステップ；
を具備する１つ以上の三次元被写体を撮像する方法。
【請求項３３】
前記被写体は、距離の範囲に広がる三次元被写体であり、前記拡大深度は前記距離の範囲の前記復元画像内でその焦点が合っている当該三次元被写体の少なくとも実質的な部分によって特徴付けられている請求項３２記載の方法。
【請求項３４】
前記レンズは、半径と、当該レンズの前記半径に応じて焦点距離が連続的に変化する複数の環状部分を有し、前記範囲内の各距離に於いて前記被写体の焦点が前記レンズの前記複数の環状部分の少なくとも１つの部分に於いて合い、前記被写体は前記レンズの前記複数の環状部分の他の部分によって不鮮明化される請求項３３記載の方法。
【請求項３５】
前記レンズは半径を有し、前記レンズはその半径に従って連続的に変化する焦点距離を有することによる多重焦点レンズである請求項３２記載の方法。
【請求項３６】
前記レンズは、下記の式によって特徴づけられる請求項３２記載の方法。
【数２】
2005513833.tif 000038
ここで、φ（ｒ）は任意の定数以内のレンズの半径ｒに対する位相遅れであり、前記範囲は距離ｓ１からｓ２であり、Ｒは当該レンズの外側半径であり、ｔは当該レンズが配設されている面から前記取込み手段によって取込んだ画像の面迄の距離であり、λ０は自由空間の波長である。
【請求項３７】
更に前記復元した画像を表示するステップを具備する請求項３２記載のシステム。
【請求項３８】
前記レンズは、１つ以上の光学要素によって構成される請求項３２記載のシステム。
【請求項３９】
前記レンズは、多重焦点位相板と対物レンズを有する光学システムである請求項３２記載のシステム。
【請求項４０】
前記撮像ステップの角視野は、当該対物レンズの角視野に従う請求項３９記載の方法。
【請求項４１】
前記撮像ステップは、少なくとも１つの前記レンズを介して前記不鮮明画像を記録するカメラに支援されて行われる請求項３２記載の方法。
【請求項４２】
前記処理ステップは、前記カメラ内で行われる請求項４１記載の方法。
【請求項４３】
前記カメラは、ディジタルスチルカメラまたはディジタルビデオカメラの１つである請求項４１記載の方法。
【請求項４４】
前記カメラは前記複数の不鮮明画像の複数の連続画像を前記処理ステップに供給するディジタルビデオカメラであり、前記処理ステップは前記複数の不鮮明画像の前記複数の連続画像の各々を処理して対応する複数の連続復元画像を生成する請求項４１記載の方法。
【請求項４５】
前記カメラは少なくとも前記レンズを介して取込んだ前記不鮮明画像をフイルム上に記録し、前記方法は前記フイルム上に記録した前記不鮮明画像を表す陽画または陰画の１つをディジタル化し、当該ディジタル化した不鮮明画像を生成するステップを更に具備し、前記処理ステップは前記ディジタル化した不鮮明画像を使用して実行し、前記復元画像を生成する請求項４１記載の方法。
【請求項４６】
前記レンズは、前記復元画像の焦点が合っている前記カメラから２つ以上の距離を設定する請求項４１記載の方法。
【請求項４７】
前記処理ステップは、コンピュータシステムよって行われる請求項３２記載の方法。
【請求項４８】
前記処理ステップは、当該レンズの点拡散機能に従って行われる請求項３２記載の方法。
【請求項４９】
前記撮像ステップは、当該不鮮明画像を記録するピクセルのアレイを構成する少なくとも１つのＣＣＤを利用し、各ピクセルはある寸法を有し、前記システムの前記解像度は前記ピクセルの前記サイズによって決まる請求項３２記載の方法。
【請求項５０】
前記レンズは、回折が制限されている請求項３２記載の方法。
【請求項５１】
円形対称多重焦点距離を有する光学系；
前記光学系を介して画像を取込み、不鮮明画像を生成する少なくとも１つの検出器アレイ；及び
当該取込んだ不鮮明画像を最大エントロピー法によって処理し、拡大深度を有する復元画像を生成する手段；
を具備するスマートカメラ。
【請求項５２】
前記光学系は、円形対称非球面レンズによって構成される請求項５１記載のカメラ。
【請求項５３】
前記光学系は、対物レンズと多重焦点位相板によって構成される請求項５１記載のカメラ。
【請求項５４】
前記光学系は、１つ以上の光学要素によって構成される請求項５１記載のカメラ。
【請求項５５】
前記検出器アレイは、ＣＣＤアレイ、ＣＭＯＳアレイ、またはＣＩＤアレイの１つである請求項５１記載のカメラ。
【請求項５６】
前記光学系は点拡散機能を有し、前記処理手段は、前記レンズの前記点拡散機能に従って前記不鮮明画像上で動作し、前記復元画像を生成する請求項５１記載のカメラ。
【請求項５７】
前記光学系は、前記点拡散機能に従って回折が制限されている請求項５６記載のカメラ。
【請求項５８】
前記受信した画像を出力する表示装置、及び／または少なくとも前記復元画像を格納するメモリを更に具備する請求項５１記載のカメラ。
【請求項５９】
円形対称多重焦点光学系を介して画像を取込み、不鮮明画像を生成する手段；及び
当該取込んだ不鮮明画像を最大エントロピー法によって処理し、拡大深度を有する復元画像を生成する手段；
を具備する撮像装置。
【請求項６０】
円形対称多重焦点光学系を介して取込んだ不鮮明画像を最大エントロピー法によって処理し、前記光学系の点拡散機能に従って復元画像を生成する手段を具備する撮像装置。
【請求項６１】
前記光学系は、円形対称多重焦点レンズである請求項５９または６０記載の撮像装置。
【請求項６２】
前記光学系は、少なくとも多重焦点位相板である請求項５９または６０記載の撮像装置。
【請求項６３】
対数位相機能を特徴とする位相板を具備する多重焦点光学要素。
【請求項６４】
前記対数位相機能は、下記の式に従ってφ（ｒ）によって与えられる請求項６３記載の光学要素。
【数３】
2005513833.tif 000039
ここで、φ（ｒ）は任意の定数以内のレンズの半径ｒに対する位相遅れであり、前記範囲は距離ｓ１からｓ２であり、Ｒは当該レンズの外側半径であり、ｔは当該レンズが配設されている面から前記取込み手段によって取込んだ画像の面迄の距離であり、λ０は自由空間の波長である。
【請求項６５】
φ（ｒ）を特徴とする前記位相板の異なった位相板を、比率ｒ／Ｒの重み付けを変化させることによって得る請求項６４記載の光学要素。
【請求項６６】
少なくとも１つの多重焦点位相板を介して少なくとも１つの被写体の画像を取込み、不鮮明画像を生成する手段；及び
当該取込んだ不鮮明画像を処理し、拡大深度を有する該被写体の復元画像を生成する手段；
を具備する１個以上の被写体を撮像するシステム。
【請求項６７】
前記被写体は、距離の範囲に広がる三次元被写体であり、前記拡大深度は前記距離の範囲の前記復元画像内でその焦点が合っている当該三次元被写体の少なくとも実質的な部分によって特徴付けられている請求項６６記載のシステム。
【請求項６８】
前記多重焦点位相板は、下記の式によって特徴づけられる請求項６６記載のシステム。
【数４】
2005513833.tif 000040
ここで、φ（ｒ）は任意の定数以内のレンズの半径ｒに対する位相遅れであり、前記範囲は距離ｓ１からｓ２であり、Ｒは当該レンズの外側半径であり、ｔは当該レンズが配設されている面から前記取込み手段によって取込んだ画像の面迄の距離であり、λ０は自由空間の波長である。
【請求項６９】
前記処理手段は、当該位相板の点拡散機能に従って動作可能である請求項６６記載のシステム。
【請求項７０】
前記取込み手段は、少なくとも前記位相板を介して前記不鮮明画像を取込むカメラを具備し、前記カメラは前記不鮮明画像を前記処理手段に供給する手段を更に具備する請求項６６記載のシステム。
【請求項７１】
前記取込み手段は、少なくとも前記位相板を介して前記不鮮明画像を取込むカメラを具備し、前記カメラは前記不鮮明画像から前記復元画像を生成する前記処理手段を更に具備する請求項６６記載のシステム。
【請求項７２】
前記カメラは、前記復元画像を出力する表示装置を具備する請求項７０または７１記載のシステム。
【請求項７３】
前記カメラは、ディジタルスチルカメラまたはビデオカメラである請求項７０または７１記載のシステム。
【請求項７４】
前記処理手段は前記不鮮明画像から前記復元画像を生成する前記カメラ内のマイクロプロセッサーをベースとするシステムであり、前記カメラは前記不鮮明画像、前記復元画像、または前記不鮮明画像と復元画像の両方を格納するメモリを具備する請求項７０または７１記載のシステム。
【請求項７５】
前記取込み手段は、少なくとも前記レンズを介して取込んだ前記不鮮明画像をフイルム上に記録するカメラ、及び前記フイルム上に記録した前記不鮮明画像を表す陽画または陰画の１つをディジタル化し、当該ディジタル化した不鮮明画像を生成する手段であり、前記処理手段は前記復元画像を生成するために前記ディジタル化した不鮮明画像上で動作する請求項６６記載のシステム。
【請求項７６】
前記位相板は、回折が制限されている請求項６６記載のシステム。
【請求項７７】
前記位相板は、前記取込み手段に対して前記システムの２つ以上の動作距離を設ける請求項６６記載のシステム。
【請求項７８】
前記処理手段は、当該不鮮明画像上で反転濾波法、渦巻マトリックス法、または最大エントロピー法の１つを利用して当該復元画像を生成する請求項６６記載のシステム。
【請求項７９】
少なくとも多重焦点位相板を介して少なくとも１つの被写体を撮像し、不鮮明画像を生成するステップ；及び
前記不鮮明画像を処理し、拡大深度を有する当該被写体の復元画像を生成するステップ；
を具備する１つ以上の三次元被写体を撮像する方法。
【請求項８０】
前記被写体は、距離の範囲に広がる三次元被写体であり、前記拡大深度は前記距離の範囲の上記復元画像内でその焦点が合っている当該三次元被写体の少なくとも実質的な部分によって特徴付けられる請求項７９記載の方法。
【請求項８１】
前記多重焦点位相板は、下記の式によって特徴づけられる請求項７９記載の方法。
【数５】
2005513833.tif 000041
ここで、φ（ｒ）は任意の定数以内のレンズの半径ｒに対する位相遅れであり、前記範囲は距離ｓ１からｓ２であり、Ｒは当該レンズの外側半径であり、ｔは当該レンズが配設されている面から前記取込み手段によって取込んだ画像の面迄の距離であり、λ０は自由空間の波長である。
【請求項８２】
前記復元した画像を表示するステップを更に具備する請求項７９記載の方法。
【請求項８３】
前記取込みステップは、少なくとも前記位相板を介して前記不鮮明画像を記録するカメラに支援されて行われる請求項７９記載の方法。
【請求項８４】
前記カメラは、ディジタルスチルカメラまたはディジタルビデオカメラの１つである請求項８３記載の方法。
【請求項８５】
前記カメラは少なくとも前記位相板を介して取込んだ前記不鮮明画像をフイルム上に記録し、前記方法は前記フイルム上に記録した前記不鮮明画像を表す陽画または陰画の１つをディジタル化し、当該ディジタル化した不鮮明画像を生成するステップを更に具備し、前記処理ステップは前記ディジタル化した不鮮明画像を使用して実行し、前記復元画像を生成する請求項８３記載の方法。
【請求項８６】
前記処理ステップは、前記不鮮明画像上で反転濾波法、渦巻マトリックス法、または最大エントロピー法の１つを利用して当該復元画像を生成する請求項７９記載の方法。
【請求項８７】
前記処理ステップは、当該位相板の点拡散機能に従って行われる請求項７９記載の方法。
【請求項８８】
少なくとも多重焦点位相板を有する光学系；
前記光学系を介して画像を取込み、不鮮明画像を生成する少なくとも１つの検出器アレイ；及び
当該取込んだ不鮮明画像を処理し、拡大深度を有する復元画像を生成する手段；
を具備するスマートカメラ。
【請求項８９】
前記受信した画像を出力する表示装置、及び／または少なくとも前記復元画像を格納するメモリを更に具備する請求項８８記載のカメラ。
【請求項９０】
前記処理手段は、前記不鮮明画像上で反転濾波法、渦巻マトリックス法、または最大エントロピー法の１つを利用して当該復元画像を生成する請求項８８記載のカメラ。
【請求項９１】
前記不鮮明画像を処理する手段は、Ｗｉｅｎｅｒ−Ｈｅｌｓｔｒｏｍ反転フィルターを利用する請求項１記載のシステム。
【請求項９２】
少なくとも多重焦点位相板を有する光学系；及び
前記光学系を介して画像を取込む手段；
を具備する撮像システム。
【請求項９３】
前記位相板によって拡大深度が設定され、及び／または前記位相板が下記の式によって特徴づけられる請求項９２記載の撮像システム。
【数６】
2005513833.tif 000042
ここで、φ（ｒ）は任意の定数以内のレンズの半径ｒに対する位相遅れであり、前記範囲は距離ｓ１からｓ２であり、Ｒは当該レンズの外側半径であり、ｔは当該レンズが配設されている面から前記取込み手段によって取込んだ画像の面迄の距離であり、λ０は自由空間波長であり、及び／または、
ここで、φ（ｒ）によって特徴づけられる前記位相板の中で、前記レンズの半径に対する前記レンズの焦点距離の比率を変化させるため、前記比率ｒ／Ｒの重み付けを変化させることによって、異なった位相板を提供する。
【請求項９４】
前記光学系は対物レンズを具備し、及び／または、
前記取込み手段は、少なくとも１つの写真検出器アレイを具備し、前記少なくとも１つの光学系を介して前記画像を取込み、及び／または、
前記位相板は対数位相機能を特徴とする請求項９２記載の撮像システム。
【請求項９５】
多重焦点位相板を介して撮像を行い、拡大深度を有する画像を生成するステップを具備する撮像方法。
【請求項９６】
前記位相板は、下記の式によって特徴づけられる請求項９５記載の方法。
【数７】
2005513833.tif 000043
ここで、φ（ｒ）は任意の定数以内のレンズの半径ｒに対する位相遅れであり、前記範囲は距離ｓ１からｓ２であり、Ｒは当該レンズの外側半径であり、ｔは当該レンズが配設されている面から前記取込み手段によって取込んだ画像の面迄の距離であり、λ０は自由空間の波長である。
【請求項９７】
レンズ；
多重位相板；及び
少なくとも前記位相板とレンズを介して光を受光する検出器；
を具備する装置。
【国際調査報告】
2005513833.tif 000044