(57)【要約】【課題】焦点深度が広く取り扱いの容易な撮像装置を提供すること。【解決手段】光を結像する光学系と、前記光学系が結像した光を受光する受光部とを備える撮像装置であって、前記光学系の入射瞳上における位置である入射位置と、入射位置に入射する光線に対する横収差との関係が、光軸から第１距離だけ離れた第１入射位置と光軸との間の範囲において、光軸から入射位置までの距離が長いほど横収差の大きさが大きく、光軸を中心として略対称である。【選択図】図２
2008249910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を結像する光学系と、前記光学系が結像した光を受光する受光部とを備える撮像装置であって、
前記光学系の入射瞳上における位置である入射位置と、入射位置に入射する光線に対する横収差との関係が、光軸から第１距離だけ離れた第１入射位置と光軸との間の範囲において光軸から入射位置までの距離が長いほど横収差の大きさが大きく、光軸を中心として略対称である撮像装置。
【請求項２】
光軸から前記第１入射位置での入射位置に関する横収差の微分値の大きさは、光軸近傍における入射位置に関する横収差の微分値の大きさより小さい
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記第１入射位置での入射位置に関する横収差の微分値が０である
請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
光軸から前記第１距離より長い第２距離だけ離れた第２入射位置と、前記第１入射位置との間の範囲において、光軸から入射位置までの距離が長いほど横収差の大きさが小さい
請求項３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記第２入射位置に入射する光線に対する横収差が０である
請求項４に記載の撮像装置。
【請求項６】
光軸から前記第２距離より長い第３距離だけ離れた第３入射位置と、前記第２入射位置との間の範囲において、光軸から入射位置までの距離が長いほど横収差の大きさが大きい
請求項５に記載の撮像装置。
【請求項７】
横収差は、光軸から入射位置までの距離に関する３次関数で表される
請求項６に記載の撮像装置。
【請求項８】
横収差は、光軸から入射位置までの距離に関する正弦関数で表される
請求項６に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記受光部は、前記第１入射位置から光軸に平行に入射する光線が光軸と交わる交点と、前記光学系の近軸像点との間に設けられる
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記受光部は、前記交点と前記光学系の近軸像点との中点近傍に設けられる
請求項９に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記受光部が受光した受光量に応じて得られる画像を、前記入射位置と横収差との関係に基づいて補正する画像補正部
をさらに備える請求項９に記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記受光部が受光した受光量に応じて得られる画像を表示する表示部
をさらに備える請求項９に記載の撮像装置。
【請求項１３】
光を結像する光学系であって、
前記光学系の入射瞳上における位置である入射位置と、入射位置に入射する光線に対する横収差との関係が、光軸から第１距離だけ離れた第１入射位置と光軸との間の範囲において、光軸から入射位置までの距離が長いほど横収差の大きさが大きく、光軸を中心として略対称である光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置及び光学系に関する。特に本発明は、被写体の画像を撮像する撮像装置及び当該撮像装置用の光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学伝達関数を焦点位置からある程度の範囲内で本質的に一定にする光学マスクが知られている（例えば、特許文献１及び２参照。）。また、対物オプチクスの最適焦点におけるアレイのピッチの２倍よりも大きな程度を有する点像分布関数を備えたアレイに物体から光学放射線を集中させて撮像するカメラが知られている（例えば、特許文献３参照。）。
【特許文献１】米国特許第５７４８３７１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００２／０１１８４５７号明細書
【特許文献３】国際公開第０４／０６３９８９号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記特許文献１及び２に記載の光学マスクによると、光学系の光学特性が光軸に関して非対称である。このため、得られた画像に復元処理を加えなければ、被写体が何であるかが分からなくなる虞がある。また、特許文献１及び２に記載の光学マスクを使用したカメラを検査する場合には、光学マスクと他の光学系をきちんとアライメントしてから検査しなければならない。このように、上記特許文献１及び２に記載の光学マスクを利用するカメラでは光学マスクの取り扱いが複雑になる。また、特許文献３に記載のカメラによると不良ピクセルを特定したりすることができるが、広い焦点深度で撮像することはできない。
【０００４】
そこで本発明は、上記課題を解決することができる撮像装置及び光学系を提供することを目的とする。この目的は特許請求の範囲における独立項に記載の特徴の組み合わせにより達成される。また従属項は本発明の更なる有利な具体例を規定する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明の第１の形態によると、光を結像する光学系と、光学系が結像した光を受光する受光部とを備える撮像装置であって、光学系の入射瞳上における位置である入射位置と、入射位置に入射する光線に対する横収差との関係が、光軸から第１距離だけ離れた第１入射位置と光軸との間の範囲において光軸から入射位置までの距離が長いほど横収差の大きさが大きく、光軸を中心として略対称である。
【０００６】
光軸から前記第１入射位置での入射位置に関する横収差の微分値の大きさは、光軸近傍における入射位置に関する横収差の微分値の大きさより小さくてよい。第１入射位置での入射位置に関する横収差の微分値が０であってよい。
【０００７】
本発明の第２の形態によると、光を結像する光学系であって、光学系の入射瞳上における位置である入射位置と、入射位置に入射する光線に対する横収差との関係が、光軸から第１距離だけ離れた第１入射位置と光軸との間の範囲において、光軸から入射位置までの距離が長いほど横収差の大きさが大きく、光軸を中心として略対称である。
【０００８】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、焦点深度が広く取り扱いの容易な撮像装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１１】
図１は、一実施形態に係る撮像装置１００の構成の一例を示す。撮像装置１００は、光を結像する光学系１１０、光学系１１０が結像した光を受光する受光部１２０、画像生成部１３０、画像補正部１４０、及び表示部１５０を備える。撮像装置１００は、被写体の像を撮像して画像を生成する。光学系１１０の光学特性については図２に関連して定性的に説明する。
【００１２】
受光部１２０は、２次元的に配置された複数の受光素子を有する。画像生成部１３０は、複数の受光素子がそれぞれ受光した受光量をＡ／Ｄ変換することによって、被写体の画像を生成する。そして、画像補正部１４０は、Ａ／Ｄ変換された受光量の値、各受光素子の位置、及び光学系１１０の光学的伝達関数に基づいて、画像生成部１３０が生成した画像を補正する。そして、表示部１５０は、画像補正部１４０が補正した画像を表示する。なお、表示部１５０は、画像生成部１３０が生成した画像も表示する。なお、表示部１５０は、撮像装置１００が撮像した画像をユーザに閲覧させるディスプレイであってよい。
【００１３】
図２は、光学系１１０の光学特性の一例を模式的に示す。光学系１１０は、高さｈ１から入射した光線２１０を、光軸方向において受光部１２０より光学系１１０側の位置Ｚ２１０で結像させ、光線２１０は受光部１２０において光軸からΔｙ１だけ低い位置で受光される。このように、光学系１１０による光線２１０の横収差は負の値となる。また、光学系１１０は、ｈ１より高い高さｈ２から入射した光線を、光軸方向において位置Ｚ２１０よりさらに光学系１１０側の位置Ｚ２２０で結像させ、光線２２０は受光部１２０において光軸からΔｙ１よりさらに低い光軸からΔｙ２だけ低い位置で受光される。
【００１４】
一方、光学系１１０は、ｈ２よりさらに高いｈ３から入射した光を、受光部１２０において光軸からΔｙ３だけ高い位置で受光させる。すなわち、光学系１１０によると、光軸から入射高が高くなるほど横収差の値は小さくなるが、ある高さで横収差は極大値となる。そして、入射高がさらに高くなると横収差が増加して、ある高さで横収差が０になり、さらに高くなると横収差が０を超える。
【００１５】
なお、受光部１２０は、複数の受光素子によって略平面状の受光面が形成される。受光部１２０の受光面は、光学系１１０の光軸に略垂直に設けられる。なお、受光素子はＣＣＤ撮像素子であってよいし及びＭＯＳ型撮像素子であってもよい。
【００１６】
以上、図２を用いて光学系１１０の光学特性を定性的に説明した。なお、図２に示した光学系１１０及び受光部１２０の模式図は、光学系１１０の光学特性を理解し易くすることを目的として作図したものであり、実スケールに従って作図されたものではないことに注意すべきである。
【００１７】
図３は、光学系１１０の構造の一例を示す。光学系１１０は、複数の光学素子３１０、３２０、３３０、３５０、３６０、及び３７０、並びに絞り３４０を有する。また、受光部１２０の受光面は、本図において像面３８０で示されている。なお、本図には、３本の主光線３００、３０１、及び３０２が光学系１１０に重ねて描かれている。なお、以後の図４、５、及び６には、主光線３００、３０１、及び３０２で示される波長０．５８７６ｎｍの光に対する光学系１１０の光学特性が示される。以下に、光学素子３１０、３２０、３３０、３５０、３６０、及び３７０の光学データについて説明する。
【００１８】
光学素子３１０は、屈折率が１．６６４４５６６３であり、厚さが１．９９７１６３ｍｍである。また、光学素子３１０の物体側の曲率及び直径はそれぞれ１５．２０８３４ｍｍ及び１３．４７９１５ｍｍであり、像面３８０側の曲率及び直径はそれぞれ８．１５３８９８ｍｍ及び１０．９９６０５ｍｍである。なお、本図の説明における厚さとは、光学素子の光軸方向の長さを示す。
【００１９】
光学素子３２０は、光学素子３１０から像面３８０側に光軸方向に距離５．１９３９７７ｍｍだけ離されて設けられる。なお、ここでいう距離とは、光学素子３１０の像面３８０側の表面と光学素子３２０の物体側の表面との間の距離を示し、本図の以下の説明における距離も同様の意味を示す。光学素子３２０は、屈折率が１．９２２８５０５９であり、厚さが８．８８０５０５ｍｍである。また、光学素子３２０の物体側の曲率及び直径はそれぞれ３８．３８８３４ｍｍ及び９．３００７２２ｍｍであり、像面３８０側の曲率及び直径はそれぞれ−２８．１７２７５ｍｍ及び６．１０５４４９ｍｍである。
【００２０】
光学素子３３０は、光学素子３２０と接して設けられる。光学素子３３０は、屈折率が１．４６４４９８５８であり、厚さが１．９９９９７ｍｍである。また、光学素子３３０の像面３８０側の曲率及び直径はそれぞれ１０．８８１４ｍｍ及び４．６９０５９ｍｍである。絞り３４０は、光学素子３３０から像面３８０側に光軸方向に距離１．２４５３３９ｍｍだけ離されて設けられ、直径は４．４３２４０６ｍｍである。
【００２１】
光学素子３５０は、絞り３４０から像面３８０側に光軸方向に距離４．８６４９８７ｍｍ離れて設けられる。光学素子３５０は、屈折率が２．０２２０３３５０であり、厚さが１０．０００１４ｍｍである。また、光学素子３５０の物体側の曲率及び直径はそれぞれ−４４３．０３５６ｍｍ及び８．９１３３３５ｍｍであり、像面３８０側の曲率及び直径はそれぞれ−１７．４６６６４ｍｍ及び１３．００５９５ｍｍである。
【００２２】
光学素子３６０は、光学素子３５０と接して設けられる。光学素子３６０は、屈折率が１．５００１２８４１であり、厚さが１０．１３７６４ｍｍである。また、光学素子３２０の像面３８０側の曲率及び直径はそれぞれ−２３．９０３９１ｍｍ及び１６．５２７９９ｍｍである。
【００２３】
光学素子３７０は、光学素子３６０から像面３８０側に光軸方向に５．１３６９１７ｍｍ離れて設けられる。光学素子３７０は、屈折率が２．０２２０３３５０であり、厚さが９．９１６２４８ｍｍである。また、光学素子３７０の物体側の曲率及び直径はそれぞれ１５．６８４８２ｍｍ及び１８．１５１９４ｍｍであり、像面３８０側の曲率及び直径はそれぞれ２５．２２５１９ｍｍ及び１３．３８７５ｍｍである。なお、像面３８０は、光学素子３７０から距離７．７３００１ｍｍ離れた位置にある。
【００２４】
図４は、光学系１１０の横収差特性を示す。図示されるように、光学系１１０は、複数の像高にわたって、Ｘ方向及びＹ方向に略同一の横収差特性を持つ。このような横収差特性は、横収差特性を略同一にさせる設計方法によって得られる。この設計方法では、横収差特性を三次関数で与える。具体的には、横収差特性を示す関数として、係数ａ及びｂが定数であるΔｙ＝ａｘ３−ａｂ２ｘを与え、収束時の目標値として例えば係数ａに５×１０−４、係数ｂに１０を定める。
【００２５】
この設計方法では、後述するように、横収差が極値となるｘ座標の目標値を係数ｂによって定め、さらにその極値の目標値を係数ａによって定める。なお、極値の大きさは、像面３８０における横収差の大きさが少なくとも受光部１２０の受光素子の間隔より大きくなるよう、受光部１２０の受光素子の間隔に応じて、係数ｂにより指定してよい。そして、光学系１１０の各光学素子のパラメータを変化させながら各像高の光線について横収差特性を算出する。そして、算出した横収差特性と予め与えられた横収差特性との間の誤差が予め定められた値より小さくなるまで、各光学素子のパラメータを変化させる。なお、横収差の特性を示す関数としては、正弦関数等、原点に関して対称であり、かつ極値を持つ関数であれば、上記の三次式に限らない。
【００２６】
図２に示されるように、光学系１１０による横収差の大きさはｘ＝０において０であり、ｘ座標が正の方向に変化した場合の横収差の変化を見ると、横収差が極値に達するまでその大きさは増加している。また、横収差曲線は、原点に対して略対称である。このように、光学系１１０の入射瞳上における位置である入射位置と、入射位置に入射する光線に対する横収差との関係は、光軸から第１距離だけ離れた第１入射位置と光軸との間の範囲において光軸から入射位置までの距離が長いほど横収差の大きさが大きく、光軸を中心として略対称である。また、光学系１１０の入射瞳上における位置である入射位置と、入射位置に入射する光線に対する横収差との関係は、光軸から入射位置までの距離に関して連続的である。
【００２７】
また、図２に示されるように、横収差の値が極値となるｘ座標からさらに増加すると、横収差の大きさは減少に転じる。さらにｘ座標が大きくなると、横収差の大きさが０になった後、増加していく。このように、光軸から第１入射位置での入射位置に関する横収差の微分値の大きさは、光軸近傍における入射位置に関する横収差の微分値の大きさより小さい。より具体的には、第１入射位置での入射位置に関する横収差の微分値が０である。そして、光軸から第１距離より長い第２距離だけ離れた第２入射位置と、第１入射位置との間の範囲において、光軸から入射位置までの距離が長いほど横収差の大きさが小さい。
【００２８】
そして、第２入射位置に入射する光線に対する横収差が０である。さらに、光軸から第２距離より長い第３距離だけ離れた第３入射位置と、第２入射位置との間の範囲において、光軸から入射位置までの距離が長いほど横収差の大きさが大きい。また、上記の設計方法で説明したように、光学系１１０の横収差は、光軸から入射位置までの距離に関する３次関数で表される。他にも、光学系１１０の横収差は、光軸から入射位置までの距離に関する正弦関数で表されてよい。
【００２９】
図５は、光学系１１０のＭＴＦ特性を示す。本ＭＴＦ図は、横軸が像面３８０からの光軸方向のデフォーカス量を示し、縦軸がＭＴＦ値を示す。また、図６は、光学系１１０によるスポットダイアグラムの一例を示す。図５におけるＭＴＦ特性及び図６のスポットダイアグラムは、空間周波数が５０本／ｍｍの像について得られたものである。
【００３０】
図５を参照すると、光学系１１０は、複数の像高についても、サジタル光線及びメリジオナル光線についても、略同一のＭＴＦ値の分布を持つことが分かる。また、光学系１１０は、デフォーカス量の広い範囲にわたって、所定値（例えば、０．２）以上のＭＴＦ値を有することが分かる。また、図６には、光学系１１０によるスポットダイアグラムを、デフォーカス量について横方向に、像高について縦方向に並べたものが示されている。図６を参照しても、所定範囲のデフォーカス量及び像高についても、スポットダイアグラムが略同一の広がりを示すことが分かる。このように、光学系１１０の光学的伝達関数は、所定のデフォーカス量及び像高の範囲にわたって略同一である。したがって、画像補正部１４０は、光学系１１０を通過して受光部１２０が受光した光から得られた画像を略同一の逆フィルタによって容易に復元することができる。
【００３１】
図７は、点光源に対する光学系１１０の応答及び受光部１２０が有する受光素子の配列の一例を示す。上記で説明したように、光学系１１０は、複数の像高について略同一の広がりを有する。したがって、受光部１２０の位置が所定のデフォーカス量の範囲内にあれば、図示したように点光源に対する光学系１１０の応答の半値幅δ０、δ１、及びδ２を略同一とすることができる。なお、半値幅δ０、δ１、及びδ２を略同一にすることができるデフォーカス量の幅は、上記の設計方法において、横収差が極値となるｘ座標の目標値を定めることで制御することができる。例えば、横収差特性Δｙ＝ａｘ３−ａｂ２ｘにおいて、係数ｂの値で制御する。
【００３２】
なお、受光部１２０は、複数の受光素子７０１〜７０４、７１１〜７１４、７２１〜７２４、・・・を有する。受光部１２０の受光素子は、ｘ方向にＰｘ、ｙ方向にＰｙのピッチで等間隔で配列されている。この場合、光学系１１０は、応答の半値幅δ０、δ１、及びδ２が画素ピッチＰｘ及びＰｙより大きくなるよう光学系１１０の横収差特性を指定することによって設計されてよい。具体的には、上記の設計方法で横収差特性Δｙ＝ａｘ３−ａｂ２ｘを与えた場合、応答の半値幅δ０、δ１、及びδ２がＰｘ及びＰｙのいずれより大きくなるよう、係数ａの目標値を定める。このように、光学系１１０を設計する場合には、デフォーカス量の許容幅に応じて係数ｂの目標値を定め、受光部１２０の受光素子の画素ピッチに応じて係数ａの目標値を定める。
【００３３】
なお、撮像装置１００がカラー画像を撮像する場合、隣接する受光素子が異なる色の波長の光を受光する場合がある。この場合、画素ピッチとは、同じ色を示す波長の光を受光する受光素子間の距離であってよい。例えば、受光素子７０１、７０３、７１２、７１４、７２１、及び７２３が緑色を示す波長の光を受光し、受光素子７０２、７０４、７２２、及び７２４が青色を示す波長の光を受光し、受光素子７１１及び７１３が赤色を示す波長の光を受光する場合、画素ピッチとは、ｙ方向に受光素子７０１の中心位置と受光素子７２１の中心位置との間の距離であり、ｘ方向に受光素子７０１の中心位置と受光素子７０３の中心位置との間の距離であってよい。
【００３４】
なお、受光部１２０は、第１入射位置から光軸に平行に入射する光線が光軸と交わる交点と、光学系１１０の近軸像点との間に設けられてよい。具体的には、受光部１２０は、交点と光学系１１０の近軸像点との中点近傍に設けられてよい。
【００３５】
なお、画像補正部１４０は、受光部１２０が受光した受光量に応じて得られる画像を、入射位置と横収差との関係に基づいて補正する。具体的には、画像補正部１４０は、画像生成部１３０が生成した画像に対して、光学系１１０の光学伝達関数の強度分布を合焦時の光学伝達関数の強度分布と略同一にする逆フィルタによる復元処理を施す。
【００３６】
なお、表示部１５０は、受光部１２０が受光した受光量に応じて得られる画像を表示してもよい。具体的には、表示部１５０は、画像生成部１３０が生成した画像を表示する。なお、表示部１５０は、表示部１５０の画素数が光学系１１０の受光素子の数に比べて少ない場合は、画像生成部１３０が生成した画像を空間的に平均化することなく画素を間引いて表示してよい。また、撮像装置１００は、光学系１１０の焦点距離を変化させる焦点制御装置を有さず、光学系１１０の焦点距離は固定であってよい。また、撮像装置１００は、被写体からの光を空間的に分散させる光学ローパスフィルタを有さなくてよい。
【００３７】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加え得ることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】撮像装置１００の構成の一例を示す図である。
【図２】光学系１１０の光学特性の一例を模式的に示す図である。
【図３】光学系１１０の構造の一例を示す図である。
【図４】光学系１１０の横収差特性を示す図である。
【図５】光学系１１０のＭＴＦ特性を示す図である。
【図６】光学系１１０によるスポットダイアグラムを示す図である。
【図７】点光源に対する光学系１１０の応答を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１００  撮像装置
１１０  光学系
１２０  受光部
１３０  画像生成部
１４０  画像補正部
１５０  表示部
【図１】
2008249910.tif 000003
【図２】
2008249910.tif 000004
【図３】
2008249910.tif 000005
【図４】
2008249910.tif 000006
【図５】
2008249910.tif 000007
【図６】
2008249910.tif 000008
【図７】
2008249910.tif 000009