(57)【要約】【課題】被写界深度の拡大が可能であり、しかも、焦点調節を容易化するのに適した構成の結像光学系、及びそれを備えた撮像装置を提供する。【解決手段】本発明の結像光学系（１４）は、物体からの光を結像する結像光学系であって、前記結像光学系の瞳面の近傍に配置され、通過波面の位相を空間的に変化させることにより、デフォーカスに起因する前記結像光学系のＭＴＦの劣化を減じる光波面変換素子（１７）を備え、前記光波面変換素子の光軸と垂直な第１方向に亘る位相変化量は非一様であり、前記第１方向及び前記光軸に垂直な第２方向に亘る位相変化量は一様である。【選択図】    図１
2012253602.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体からの光を結像する結像光学系であって、
前記結像光学系の瞳面の近傍に配置され、通過波面の位相を空間的に変化させることにより、デフォーカスに起因する前記結像光学系のＭＴＦの劣化を減じる光波面変換素子を備え、
前記光波面変換素子の光軸と垂直な第１方向に亘る位相変化量は非一様であり、前記第１方向及び前記光軸に垂直な第２方向に亘る位相変化量は一様である
ことを特徴とする結像光学系。
【請求項２】
請求項１に記載の結像光学系において、
前記光軸を含み前記第２方向に平行な平面で前記光波面変換素子を分割してできる２つの分割領域の一方には、前記通過波面の位相を相対的に遅延させる機能が付与され、他方には、前記通過波面の位相を相対的に進行させる機能が付与される
ことを特徴とする結像光学系。
【請求項３】
請求項２に記載の結像光学系において、
前記２つの分割領域の間では、位相変化量分布カーブの形状が異なる
ことを特徴とする結像光学系。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の結像光学系と、
前記結像光学系の像面に配置された撮像素子と、
を備えたことを特徴とする撮像装置。
【請求項５】
請求項４に記載の撮像装置において、
前記光波面変換素子と前記撮像素子とは、
前記光軸の周りに相対的に回転可能である
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項６】
請求項４に記載の撮像装置において、
２枚の前記光波面変換素子を備え、
前記２枚の前記光波面変換素子は、前記光軸の周りに相対的に回転可能である
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項７】
請求項６に記載の撮像装置において、
前記２枚の前記光波面変換素子と前記撮像素子とは、
前記光軸の周りに相対的に回転可能である
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、ＷＦＣ（wave-front coding）、ＥＤＯＦ（Extended Depth of Field）技術が適用可能な結像光学系及び撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＷＦＣ、ＥＤＯＦ技術は、像の明るさを損なうことなく結像光学系の被写界深度を拡張する技術である（特許文献１等を参照）。
【０００３】
この技術では、結像光学系の瞳面付近に光波面変換素子を配置することにより結像光学系の光束を所定方向（ｘ軸方向及びｙ軸方向）へと規則的に分散させる。この場合、撮像面と共役な距離にある物体を含めて全ての距離の物体像にボケは含まれるものの、デフォーカス面（撮像面の共役面から外れた面）に位置する点の像のボケ量は、フォーカス面（撮像面の共役面）に位置する点の像のボケ量に近づけられる（デフォーカス面のＭＴＦがフォーカス面のＭＴＦに近づけられる。）。つまり、この光波面変換素子には、デフォーカスに起因した結像光学系のＭＴＦの劣化を減じ、ＭＴＦ値が零以下となるデフォーカス範囲を広げるという機能がある。このような光波面変換素子によると、結像光学系の単体では伝達できなかった、デフォーカス面の微細構造を、結像光学系の像面へ伝達させることができる。
【０００４】
また、この結像光学系が光波面変換素子と共に生成した画像を、光波面変換素子の位相変化量分布に基づきディジタル処理すれば、被写界深度の拡張された画像が得られる。このディジタル処理は、ＭＴＦ値が零以下となるデフォーカス範囲が広げられたことを利用して、実質的なＭＴＦ値を嵩上げするものである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【特許文献１】Part of the SPIE Conference on Current Developments in Optical Design. 110 and Optical Engineering VIII ・ Denver, Colorado・ July 1999. SPIE Vol. 3779 ・ 0277-786X/99/＄10.00
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、結像光学系の被写界深度を拡張すると、デフォーカス量（物体上の任意の点とフォーカス面との間のズレ量）の変化による像のボケの変化量は小さくなるため、任意の点に対する結像光学系の焦点調節が難しいという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、被写界深度の拡張が可能であり、しかも、焦点調節を容易化するのに適した構成の結像光学系、及びそれを備えた撮像装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の結像光学系は、物体からの光を結像する結像光学系であって、前記結像光学系の瞳面の近傍に配置され、通過波面の位相を空間的に変化させることにより、デフォーカスに起因する前記結像光学系のＭＴＦの劣化を減じる光波面変換素子を備え、前記光波面変換素子の光軸と垂直な第１方向に亘る位相変化量は非一様であり、前記第１方向及び前記光軸に垂直な第２方向に亘る位相変化量は一様である。
【０００９】
本発明の撮像装置は、本発明の結像光学系と、前記結像光学系の像面に配置された撮像素子とを備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、被写界深度の拡張が可能であり、しかも、焦点調節を容易化するのに適した構成の結像光学系、及びそれを備えた撮像装置が実現する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】撮像装置の全体構成図である。
【図２】光波面変換素子１７の回転する様子を示す模式図である。
【図３】光波面変換素子の位相変化面の高さ分布を示す模式図である。
【図４】光波面変換素子の位相変化面の有効径をｚ軸に沿った方向から見た模式図である。
【図５】光波面変換素子の位相変化面の高さ分布の一例である。
【図６】光波面変換素子の位相変化面の高さ分布の別の一例である。
【図７】光波面変換素子の位相変化面の高さ分布の別の一例である。
【図８】光波面変換素子の位相変化面の高さ分布の別の一例である。
【図９】第１モデルの光路図である。
【図１０】光波面変換素子Ａから物体側の評価対象点までの距離が８００ｍｍであり、横倍率が−０．１２４７倍であるとき（デフォーカス量＝０）における第１モデルの横収差図である。
【図１１】光波面変換素子Ａから物体側の評価対象点までの距離が８４０ｍｍであり、横倍率が−０．１１８８倍であるとき（デフォーカス量＝＋４０）における第１モデルの横収差図である。
【図１２】光波面変換素子Ａから物体側の評価対象点までの距離が７６０ｍｍであり、横倍率が−０．１３１２倍であるとき（デフォーカス量＝−４０）における第１モデルの横収差図である。
【図１３】第１モデルのｘ軸方向のＭＴＦ値のデフォーカス特性である。
【図１４】平行平板から物体側の評価対象点までの距離が８００ｍｍであり、横倍率が−０．１２４７倍であるとき（デフォーカス量＝０）における第１比較モデルの横収差図である。
【図１５】平行平板から物体側の評価対象点までの距離が８４０ｍｍであり、横倍率が−０．１１８８倍であるとき（デフォーカス量＝＋４０）における第１比較モデルの横収差図である。
【図１６】平行平板から物体側の評価対象点までの距離が７６０ｍｍであり、横倍率が−０．１３１２倍であるとき（デフォーカス量＝−４０）における第１比較モデルの横収差図である。
【図１７】第１比較モデルのＭＴＦ値のデフォーカス特性である。
【図１８】光波面変換素子から物体側の評価対象点までの距離が８００ｍｍであり、横倍率が−０．１２５９倍であるとき（デフォーカス量＝０）における第２比較モデルの横収差図である。
【図１９】光波面変換素子から物体側の評価対象点までの距離が８４０ｍｍであり、横倍率が−０．１１９９倍であるとき（デフォーカス量＝＋４０）における第２比較モデルの横収差図である。
【図２０】光波面変換素子から物体側の評価対象点までの距離が７６０ｍｍであり、横倍率が−０．１３２５倍であるとき（デフォーカス量＝−４０）における第２比較モデルの横収差図である。
【図２１】第２比較モデルのＭＴＦ値のデフォーカス特性である。
【図２２】関数ｆ（ｘ）がｆ（ｘ）＝ａｘ３であるときのｘ軸方向のＭＴＦを係数ａの値毎に表したグラフである。
【図２３】関数ｆ（ｘ）がｆ（ｘ）＝ａｘ３であるときのｘ軸方向のＭＴＦ値のデフォーカス特性を、係数ａの値毎に表したグラフである。
【図２４】図２３において係数ａが３×１０−６であるときのデータを抽出して二次元のグラフで表したものである。
【図２５】関数ｆ（ｘ）がｆ（ｘ）＝（αｘ）３であるときのｘ軸方向のＭＴＦ値のデフォーカス特性を、スケールαの値毎に表したグラフである。
【図２６】関数ｆ（ｘ）がｆ（ｘ）＝ａｘ５であるときのｘ軸方向のＭＴＦを係数ａの値毎に表した図である。
【図２７】関数ｆ（ｘ）がｆ（ｘ）＝ａｘ５であるときのｘ軸方向のＭＴＦ値のデフォーカス特性を、係数ａの値毎に表したグラフである。
【図２８】図２７において係数ａが３×１０−８であるときのデータを抽出して二次元のグラフで表したものである。
【図２９】関数ｆ（ｘ）がｆ（ｘ）＝（αｘ）５であるときのｘ軸方向のＭＴＦ値のデフォーカス特性を、スケールαの値毎に表したグラフである。
【図３０】光波面変換素子の回転角度が０°であるときのＭＴＦ値のデフォーカス特性である。
【図３１】光波面変換素子の回転角度が０°であるときのスポットダイアグラムである。
【図３２】光波面変換素子の回転角度が１５°であるときのＭＴＦ値のデフォーカス特性である。
【図３３】光波面変換素子の回転角度が１５°であるときのスポットダイアグラムである。
【図３４】光波面変換素子の回転角度が３０°であるときのＭＴＦ値のデフォーカス特性である。
【図３５】光波面変換素子の回転角度が３０°であるときのスポットダイアグラムである。
【図３６】光波面変換素子の回転角度が４５°であるときのＭＴＦ値のデフォーカス特性である。
【図３７】光波面変換素子の回転角度が４５°であるときのスポットダイアグラムである。
【図３８】第２モデルのｘ軸方向のＭＴＦ値のデフォーカス特性である。
【図３９】関数ｆ（ｘ）の等しい２枚の光波面変換素子の回転角度差を変化させたときの模式図である。
【図４０】ＭＴＦ値のデフォーカス特性を、２枚の光波面変換素子の回転角度差（相対角度）毎に表したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［実施形態］
以下、本発明の実施形態の１つとして、結像光学系を備えた撮像装置を説明する。
【００１３】
先ず、撮像装置の全体構成を説明する。図１は、撮像装置の全体構成を示すブロック図である。図１に示すとおり撮像装置には、結像光学系１４、光波面変換素子１７、撮像素子１９、画像処理回路２０、モニタ２１などが備えられる。
【００１４】
光波面変換素子１７の配置面は、結像光学系１４の瞳面又はその近傍に設定されている。よって、光波面変換素子１７に入射する光の入射角度は、比較的小さい値となる。
【００１５】
光波面変換素子１７は、入射光束の波面形状（位相分布）を変換する位相板であって、その位相変化量分布は固定であり、結像光学系１４の光束を特定方向へと規則的に分散させるような分布（後述）に設定されている。この位相変化量分布によると、結像光学系１４の被写界深度（結像光学系１４が微細構造を高コントラストに伝達できるｚ軸方向の範囲）を実質的に拡張することができる。なお、ここでいう微細構造とは、撮像素子１９が分解可能な空間周波数を有した微細構造のことであって、ここでいうＭＴＦとは、撮像素子１９が分解可能な空間周波数域に関するＭＴＦのことである。
【００１６】
光波面変換素子１７は、ｚ軸の周りに回転可能である（図２参照）。つまり、撮像素子１９に対する光波面変換素子１７の回転角度は、自在に変更可能である。
【００１７】
撮像素子１９は、所定のフレームレート（例えば１／３０秒）で撮像を行うことができる。撮像素子１９の駆動タイミングは、光波面変換素子１７の回転角度と共に制御される。撮像素子１９が取得した画像は、画像処理回路２０へ順次に送出される。
【００１８】
画像処理回路２０は、撮像素子１９から送出される画像に対して復元処理を施してからモニタ２１へ送出する。この復元処理は、前述した位相変化量分布に応じた処理であって、結像光学系１４のＭＴＦを実質的に嵩上げする処理である。以下、復元処理前の画像と復元処理後の画像とを区別するために、前者を「変調画像」と称し、後者を「復元画像」と称す。したがって、ユーザは、で被写界深度の高い画像を復元画像として観察することができる。
【００１９】
なお、画像処理回路２０による１フレーム当たりの復元処理の処理時間は撮像素子１９のフレーム周期内に収まっており、モニタ２１に対する復元画像の表示は、リアルタイムで行われるものと仮定する。よって、ユーザは、モニタ２１上で復元画像を確認しながら結像光学系１４の焦点調節（フォーカス調整）を行うことができる。
【００２０】
次に、光波面変換素子１７の詳細を説明する。ここでは、光波面変換素子１７の一方の面は一様（平坦）であり、他方の面は非一様（起伏）であると仮定する。この場合、光波面変換素子１７の位相変化量分布は、他方の面の高さ分布によって決まる。以下、光波面変換素子１７のうち波面変換機能を有した面を「位相変化面」と称す。
【００２１】
光波面変換素子の位相変化面の高さ分布は、図３に示すとおり、ｚ軸に対して垂直な所定方向（ｘ軸方向）にかけて非一様に設定されているのに対し、ｘ軸方向に垂直な所定方向（ｙ軸方向）にかけては一様に設定されている。なお、ここでいう位相変化面の高さ分布とは、位相変化面によって実現する位相変化量分布を高さ分布に換算したものである。
【００２２】
以下、光波面変換素子の位相変化面上でｚ軸と交差する点を原点としたｘｙｚ直交座標系を想定する。
【００２３】
図４は、光波面変換素子の位相変化面の有効径をｚ軸に沿った方向から見た模式図である。図４に示すとおり、光波面変換素子の位相変化面をｙｚ平面により分割してできる２つの分割領域を考えると、一方の分割領域には、通過光束の位相を遅延させる機能が付与され、他方の分割領域には、通過光束の位相を相対的に進行させる機能が付与されている。
【００２４】
このような位相変化面のｘ軸方向の高さ分布をｆ（ｘ）とおくと、高さ分布ｆ（ｘ）は、例えば以下のとおりｘ座標の関数で表される（図５参照）。
【００２５】
ｆ（ｘ）＝ａｘ３
なお、ａは、位相変化の程度（位相変化度）を規定する係数である。
【００２６】
また、ｘがプラスであるときの関数ｆ（ｘ）と、ｘがマイナスであるときの関数ｆ（ｘ）との間には、意図的な差異が与えられていてもよい。
【００２７】
例えば、ｘがプラスであるときの関数ｆ（ｘ）と、ｘがマイナスであるときの関数ｆ（ｘ）との間では、以下の通り、位相変化度の係数が異なっていてもよい（図６参照）。
【００２８】
ｆ（ｘ）＝ａｘ３  （ｘ≦０のとき）、
ｆ（ｘ）＝ａ’ｘ３  （ｘ＞０のとき）
言い換えると、ｘがプラスであるときの関数ｆ（ｘ）と、ｘがマイナスであるときの関数ｆ（ｘ）との間では、以下の通り、ｘ軸方向のスケールが異なってもよい（図７参照）。
【００２９】
ｆ（ｘ）＝ａｘ３  （ｘ≦０のとき）、
ｆ（ｘ）＝ａ（αｘ）３  （ｘ＞０のとき）
また、例えば、ｘがプラスであるときの関数ｆ（ｘ）と、ｘがマイナスであるときの関数ｆ（ｘ）との間では、以下の通り、ｘ軸方向のシフト量が異なってもよい（図８参照）。
【００３０】
ｆ（ｘ）＝ａｘ３  （ｘ≦０のとき）、
ｆ（ｘ）＝０  （０＜ｘ＜Δのとき）、
ｆ（ｘ）＝ａ（ｘ−Δ）３  （ｘ＞Δのとき）
以上の何れかの光波面変換素子によると、被写界深度の拡張効果は、ｘ軸方向にのみ現れ、ｙ軸方向には現れない。よって、フォーカス調整中にユーザがデフォーカス量（物体上の任意の点に対するフォーカス面のズレ量）を変化させると、復元画像に写っている任意の点の像のｘ軸方向のボケ量は少ししか変化しないものの、復元画像に写っている任意の点の像のｙ軸方向のボケ量は、大幅に変化する。
【００３１】
したがって、ユーザは、復元画像を観察しながら、任意の点に対する結像光学系１４のフォーカス調整を行い、復元画像における任意の点の像のｙ軸方向のボケ量が最小となった時点で、フォーカス調整を終了すればよい。したがって、本実施形態のユーザは、フォーカス調整を高精度に行うことができる。
【００３２】
なお、本実施形態の撮像装置では、関数ｆ（ｘ）の次数（ｘの冪数）を３としたが、５などとしてもよい。基本的に、関数ｆ（ｘ）は、ｆ（ｘ）＝−ｆ（−ｘ）を満たすような関数（奇関数）であることが望ましい。
【００３３】
また、本実施形態の撮像装置では、被写界深度の拡張効果がｘ軸方向にしか得られないため、フォーカス調整後、詳細観察用の復元画像を取得する際には、光波面変換素子１７をｚ軸の周りに回転させながら、撮像素子１９を繰り返し駆動することで、位相変化方向の異なる複数枚の変調画像（少なくとも、位相変化方向の９０°ずれた２枚の変調画像）を取得するとよい。また、その場合、画像処理回路２０は、取得した複数枚の変調画像の各々に対して復元処理を施してから、それらの復元画像を合成することにより、多方向（少なくとも２方向）に亘って被写界深度の拡張された合成復元画像を作成し、モニタ２１へ送出するとよい。なお、複数枚の変調画像の各々に対する復元処理は、その変調画像の位相変化方向に応じた処理となる。
【００３４】
因みに、本実施形態の撮像装置では、変調画像の取得枚数を多くした方が、合成変調画像のノイズ低減や、被写界深度の拡張方向の多次元化などを考慮すると、有利である。
【００３５】
次に、光波面変換素子の具体例（光波面変換素子の位相変化面の具体例）を説明する。具体例を評価するに当たり、光波面変換素子を備えた結像光学系として、以下のような第１モデルを想定した。
【００３６】
第１モデルは、図９に示すように、像側にテレセントリックな理想結像光学系（アフォーカルレンズ）Ｂと、理想結像光学系Ｂの瞳面（絞り面）に配置された光波面変換素子Ａと、理想結像光学系Ｂの像面に配置された撮像素子Ｃとからなる。
【００３７】
理想結像光学系Ｂの焦点距離は、１００ｍｍであり、画角は１０度であり、Ｆ値は４であり、光波面変換素子Ａから物体空間内のフォーカス面までの距離は、８００ｍｍであり、理想結像光学系Ｂの横倍率は、−０．１２４７倍である。以下、特に指定しない限り距離の単位を［ｍｍ］とする。
【００３８】
光波面変換素子Ａとしては、２枚の光波面変換素子（第１の光波面変換素子、第２の光波面変換素子）を光軸方向に並べたものを想定した。これらの光波面変換素子の位相変化面は何れも、ｙ軸方向の高さ分布が一様な位相変化面である。
【００３９】
第１の光波面変換素子の位相変化面のｘ軸方向の高さ分布ｆ１（ｘ）は、以下のとおり設定されている。
【００４０】
ｆ１（ｘ）＝ａ１×（α１ｘ）３、
ａ１＝６．０×１０−７、
α１＝１．５４４４
一方、第２の光波面変換素子の位相変化面のｘ軸方向の高さ分布ｆ２（ｘ）は、以下のとおり設定されている。
【００４１】
ｆ２（ｘ）＝ａ２×（α２ｘ）５、
ａ２＝−５．０×１０−１１、
α２＝２．０６９６
したがって、第１の光波面変換素子及び第２の光波面変換素子を含んだ光波面変換素子Ａのトータルの位相変化面の高さ分布ｆ（ｘ）は、以下のとおりとなる。
【００４２】
ｆ（ｘ）＝ｆ１（ｘ）＋ｆ２（ｘ）
＝ａ１×（α１ｘ）３＋ａ２×（α２ｘ）５
＝６．０×１０−７×（１．５４４４×ｘ）３−５．０×１０−１１×（２．０６９６×ｘ）５
図１０は、光波面変換素子Ａから物体側の評価対象点までの距離が８００ｍｍであり、横倍率が−０．１２４７倍であるとき（デフォーカス量＝０）における第１モデルの横収差図である。
【００４３】
図１１は、光波面変換素子Ａから物体側の評価対象点までの距離が８４０ｍｍであり、横倍率が−０．１１８８倍であるとき（デフォーカス量＝＋４０）における第１モデルの横収差図である。
【００４４】
図１２は、光波面変換素子Ａから物体側の評価対象点までの距離が７６０ｍｍであり、横倍率が−０．１３１２倍であるとき（デフォーカス量＝−４０）における第１モデルの横収差図である。
【００４５】
これらの図１０、図１１、図１２を参照すると、第１モデルの横収差は、デフォーカス量がプラスであるときとマイナスであるときとで反転することがわかる。
【００４６】
図１３は、第１モデルのｘ軸方向のＭＴＦ値のデフォーカス特性である。なお、図１３では、空間周波数３２［ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍ］に関するＭＴＦ値のみを代表して示した。また、図１３における３つのカーブは、画角の相違を表している。また、図１３の横軸は、物体側のデフォーカス量を像側の距離に換算したものである。
【００４７】
このデフォーカス特性カーブを参照すると、デフォーカス特性カーブの中央近傍（デフォーカス量がゼロ近傍であるときのＭＴＦ値）が平坦化されているのがわかる。これによって、第１モデルのｘ軸方向の被写界深度は、実質的に拡張されることになる。
【００４８】
比較のため、光波面変換素子Ａの代わりに平行平板を配置した同様のモデル（第１比較モデル）のデータを、図１４、図１５、図１６、図１７に示す。
【００４９】
図１４は、平行平板から物体側の評価対象点までの距離が８００ｍｍであり、横倍率が−０．１２４７倍であるとき（デフォーカス量＝０）における第１比較モデルの横収差図である。
【００５０】
図１５は、平行平板から物体側の評価対象点までの距離が８４０ｍｍであり、横倍率が−０．１１８８倍であるとき（デフォーカス量＝＋４０）における第１比較モデルの横収差図である。
【００５１】
図１６は、平行平板から物体側の評価対象点までの距離が７６０ｍｍであり、横倍率が−０．１３１２倍であるとき（デフォーカス量＝−４０）における第１比較モデルの横収差図である。
【００５２】
これらの図１４、図１５、図１６を図１０、図１１、図１２と比較すると、第１比較モデルの横収差と第１モデルの横収差とは同程度であることがわかる。すなわち、光波面変換素子Ａを備えた第１モデルの横収差は、光波面変換素子Ａの代わりに平行平板を備えた第１比較モデルの横収差と同様、良好であることがわかる。
【００５３】
図１７は、第１比較モデルのＭＴＦ値のデフォーカス特性である。なお、図１７では、空間周波数３２［ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍ］に関するＭＴＦ値のみを代表して示した。また、図１７における３つのカーブは、画角の相違を表している。また、図１７の横軸は、物体側のデフォーカス量を像側の距離に換算したものである。
【００５４】
この図１７を図１３と比較すると、第１比較モデルのデフォーカス特性カーブは、第１モデルのｘ軸方向のデフォーカス特性カーブよりも尖っているのがわかる。すなわち、光波面変換素子Ａを備えた第１モデルのｘ軸方向の被写界深度は拡張されているのに対し、光波面変換素子Ａの代わりに平行平板を備えた第１比較モデルの被写界深度は拡張されていないのがわかる。
【００５５】
なお、ここでは、第１モデルのｙ軸方向のデフォーカス特性に言及しなかったが、第１モデルにおける光波面変換素子Ａのｙ軸方向の高さ分布は一様に設定されているので、第１モデルのｙ軸方向のデフォーカス特性は、第１比較モデルのデフォーカス特性と同じになる。すなわち、第１モデルのｙ軸方向の被写界深度は、狭いままである。
【００５６】
ここで、第１モデルの位相変化面のｘ軸方向の高さ分布（関数ｆ（ｘ））は、奇関数又は奇関数に近い関数（すなわちｘがプラスであるときとマイナスであるときとで反対符号）であったが、比較のため、位相変化面のｘ軸方向の高さ分布（関数ｆ（ｘ））を偶関数又は偶関数に近い関数（すなわちｘがプラスであるときとマイナスであるときとで同符号）としたもの（第２比較モデル）のデータを、図１８、図１９、図２０、図２１に示す。なお、第２比較モデルでは、位相変化面を球面に設定し、その球面の前側曲率半径を１００ｍｍ（この部分の焦点距離を２１８ｍｍ）に設定した。
【００５７】
図１８は、光波面変換素子から物体側の評価対象点までの距離が８００ｍｍであり、横倍率が−０．１２５９倍であるとき（デフォーカス量＝０）における第２比較モデルの横収差図である。
【００５８】
図１９は、光波面変換素子から物体側の評価対象点までの距離が８４０ｍｍであり、横倍率が−０．１１９９倍であるとき（デフォーカス量＝＋４０）における第２比較モデルの横収差図である。
【００５９】
図２０は、光波面変換素子から物体側の評価対象点までの距離が７６０ｍｍであり、横倍率が−０．１３２５倍であるとき（デフォーカス量＝−４０）における第２比較モデルの横収差図である。
【００６０】
図２１は、第２比較モデルのＭＴＦ値−デフォーカス特性である。なお、図２１では、空間周波数３２［ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍ］に関するＭＴＦ値のみを代表して示した。また、図２１における３つのカーブは、画角の相違を表している。また、図２１の横軸は、物体側のデフォーカス量を像側の距離に換算したものである。
【００６１】
これらの図１８、図１９、図２０、図２１からわかるとおり、第２比較モデルでは、横収差が悪く、被写界深度も狭い。したがって、横収差を良好にしたまま被写界深度を拡張するには、第１モデルのように、位相変化面のｘ軸方向の高さ分布（関数ｆ（ｘ））を、奇関数又は奇関数に近い関数（すなわちｘがプラスであるときとマイナスであるときとで反対符号）にする必要があることがわかる。
【００６２】
次に、関数ｆ（ｘ）の次数が３である場合における係数ａ（又はスケールα）の選定方法を説明する。
【００６３】
図２２は、関数ｆ（ｘ）がｆ（ｘ）＝ａｘ３であるときのｘ軸方向のＭＴＦを係数ａの値毎に表したグラフである。
【００６４】
図２３は、関数ｆ（ｘ）がｆ（ｘ）＝ａｘ３であるときのｘ軸方向のＭＴＦ値のデフォーカス特性を、係数ａの値毎に表したグラフである。なお、図２３では、空間周波数３２［ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍ］に関するＭＴＦ値のみを代表して示した。また、図２３のデフォーカス軸は、物体側のデフォーカス量を像側の距離で表したものである。
【００６５】
これらの図２２、図２３に基づけば、所望の深度内で良好なＭＴＦカーブが得られるような係数ａ（例えば、ａ＝３×１０−６）を簡単に選定することができる。
【００６６】
因みに、図２４は、図２３において係数ａが３×１０−６であるときのデータを抽出して二次元のグラフで表したものである。
【００６７】
なお、ここでは係数ａの値を選定する場合を説明したが、スケールαの値を選出する場合には、図２３の代わりに図２５を使用すればよい。図２５は、関数ｆ（ｘ）がｆ（ｘ）＝（αｘ）３であるときのｘ軸方向のＭＴＦ値のデフォーカス特性を、スケールαの値毎に表したグラフである。
【００６８】
次に、関数ｆ（ｘ）の次数が５である場合における係数ａ（又はスケールα）の選定方法を説明する。
【００６９】
図２６は、関数ｆ（ｘ）がｆ（ｘ）＝ａｘ５であるときのｘ軸方向のＭＴＦを係数ａの値毎に表した図である。
【００７０】
図２７は、関数ｆ（ｘ）がｆ（ｘ）＝ａｘ５であるときのｘ軸方向のＭＴＦ値のデフォーカス特性を、係数ａの値毎に表したグラフである。なお、図２７では、空間周波数３２［ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍ］に関するＭＴＦ値のみを代表して示した。また、図２７のデフォーカス軸は、デフォーカス量を像側の距離で表したものである。
【００７１】
これらの図２６、図２７に基づけば、所望の深度内で良好なＭＴＦカーブが得られるような係数ａ（例えば、ａ＝３×１０−８）を簡単に選定することができる。
【００７２】
因みに、図２８は、図２７において係数ａが３×１０−８であるときのデータを抽出して二次元のグラフで表したものである。
【００７３】
なお、ここでは係数ａの値を選定する場合を説明したが、スケールαの値を選出する場合には、図２７の代わりに図２９を使用すればよい。図２９は、関数ｆ（ｘ）がｆ（ｘ）＝（αｘ）５であるときのｘ軸方向のＭＴＦ値のデフォーカス特性を、スケールαの値毎に表したグラフである。
【００７４】
次に、第１モデルの位相変化面を光軸の周りに回転させたときのデータを説明する。
【００７５】
図３０は、光波面変換素子の回転角度が０°であるときのＭＴＦ値のデフォーカス特性である。図３０に点線で示すのがｙ軸方向のデフォーカス特性であり、実線で示すのがｘ軸方向のデフォーカス特性である。また、図３１は、光波面変換素子の回転角度が０°であるときのスポットダイアグラムである（スポットダイアグラムの上下方向がｘ軸方向に対応し、左右方向がｙ軸方向に対応する。以下のスポットダイアグラムも同様。）。
【００７６】
このうち図３０を参照すると、ｘ軸方向のデフォーカス特性は十分に平坦化されているのに対し、ｙ軸方向のデフォーカス特性は尖ったままであることがわかる。また、図３１を参照すると、光束がｘ軸方向にかけて分散しているのがわかる。
【００７７】
図３２は、光波面変換素子の回転角度が１５°であるときのＭＴＦ値のデフォーカス特性である。図３２に点線で示すのがｙ軸方向のデフォーカス特性であり、実線で示すのがｘ軸方向のデフォーカス特性である。また、図３３は、光波面変換素子の回転角度が１５°であるときのスポットダイアグラムである。
【００７８】
このうち図３２を参照すると、ｘ軸方向のデフォーカス特性カーブは平坦化されているのに対し、ｙ軸方向のデフォーカス特性カーブは比較的尖っていることがわかる。また、図３３を参照すると、光束がｘ軸に対して＋１５°の方向にかけて分散しているのがわかる。
【００７９】
図３４は、光波面変換素子の回転角度が３０°であるときのＭＴＦ値のデフォーカス特性である。図３４に点線で示すのがｙ軸方向のデフォーカス特性であり、図３４に実線で示すのがｘ軸方向のデフォーカス特性である。また、図３５は、光波面変換素子の回転角度が３０°であるときのスポットダイアグラムである。
【００８０】
このうち図３４を参照すると、ｘ軸方向のデフォーカス特性カーブは若干だけ平坦化されているのに対し、ｙ軸方向のデフォーカス特性カーブは若干だけ尖っていることがわかる。また、図３５を参照すると、光束がｘ軸に対して＋３０°の方向にかけて分散しているのがわかる。
【００８１】
図３６は、光波面変換素子の回転角度が４５°であるときのＭＴＦ値のデフォーカス特性である。図３６に実線で示すのがｙ軸方向及びｘ軸方向のデフォーカス特性である。また、図３７は、光波面変換素子の回転角度が４５°であるときのスポットダイアグラムである。
【００８２】
このうち図３６を参照すると、ｘ軸方向のデフォーカス特性カーブ及びｙ軸方向のデフォーカス特性カーブが共に若干だけ平坦化されているのがわかる。また、図３７を参照すると、光束がｘ軸に対して＋４５°の方向にかけて分散しているのがわかる。
【００８３】
次に、以下のような第２モデルを想定した（理想結像光学系Ｂ、撮像素子Ｃなどは第１モデルと同様。）。
【００８４】
第２モデルでは、ｘがプラスであるときの関数ｆ（ｘ）と、ｘがマイナスであるときの関数ｆ（ｘ）とが以下のとおり互いに異なる。また、第２モデルにおける関数ｆ（ｘ）の次数は、３である。
【００８５】
ｆ（ｘ）＝ａ１（α１（ｘ−Δ１））３  （ｘ＞０のとき）、
ｆ（ｘ）＝ａ２（α２（ｘ−Δ２））３  （ｘ≦０のとき）
ａ１＝１×１０−６、
ａ２＝３×１０−６、
α１＝１、
α２＝１、
Δ１＝０、
Δ２＝０
図３８は、第２モデルのｘ軸方向のＭＴＦ値のデフォーカス特性である。なお、図３８では、空間周波数３２［ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍ］に関するＭＴＦ値のみを代表して示した。また、図３８における３つのカーブは、画角の相違を表している。また、図３８の横軸は、物体側のデフォーカス量を像側の距離に換算したものである。
【００８６】
このデフォーカス特性カーブを参照すると、デフォーカス量がプラスであるときのデフォーカス特性と、デフォーカス量がマイナスであるときのデフォーカス特性とに差異が設けられていることがわかる。
【００８７】
したがって、第２モデルによれば、フォーカス面の前側の被写界深度とフォーカス面の後側の被写界深度とを独立に設定することができる。
【００８８】
［変形例］
上述した図３０、図３２、図３４、図３６を参照すると明らかなとおり、上述した実施形態で取得される複数の画像（位相変化方向の異なる複数の変調画像）の間では、ＭＴＦ値のデフォーカス特性は互いに異なる。そこで、上述した実施形態の画像処理回路２０は、次のとおり動作してもよい。
【００８９】
すなわち、画像処理回路２０は、位相変化方向の少しずつずれた多数枚の変調画像を取得し、それら変調画像間のコントラスト変化カーブを、画素毎（又は領域毎）に求め、その画素毎（又は領域毎）のカーブ形状から、物体の高さ分布（物体の距離分布）を推定する。但し、物体上の各点がフォーカス面の前後のどちらに位置しているかを特定するためには、上記の第２モデルのように、関数ｆ（ｘ）のプラスｘ側とマイナスｘ側とに差異を付けておく必要がある。
【００９０】
また、上述した実施形態では、光波面変換素子として位相板を使用したが、位相変化量分布が可変である空間位相変調器を使用してもよい。その場合、例えば位相変化方向と位相変化度（前述した係数ａ又はスケールα）との組み合わせを自在に変更することができる。
【００９１】
また、位相変化度が自在に変更可能である場合、上述した実施形態の画像処理回路２０は、次のとおり動作してもよい。すなわち、画像処理回路２０は、位相変化度の少しずつずれた多数枚の変調画像を取得し、それら変調画像間のコントラスト変化カーブを、画素毎（又は領域毎）に求め、その画素毎（又は領域毎）のカーブ形状から、物体の高さ分布（物体の距離分布）を推定する。但し、物体上の各点がフォーカス面の前後のどちらに位置しているかを特定するためには、上記の第２モデルのように、関数ｆ（ｘ）のプラスｘ側とマイナスｘ側とに差異を付けておく必要がある。
【００９２】
また、物体の高さ分布が既知である場合、上述した実施形態の画像処理回路２０は、次のとおり動作してもよい。すなわち、画像処理回路２０は、物体の高さ分布と仮想的な左右の視点とに基づき他数枚の変調画像を処理することにより、立体視用の両眼視差画像（左眼用画像及び右眼用画像）を作成する。
【００９３】
また、物体の高さ分布が既知である場合、上述した実施形態の画像処理回路２０は、次のとおり動作してもよい。すなわち、画像処理回路２０は、物体の高さ分布と仮想的なフォーカス面とに基づき多数枚の変調画像を処理することにより、任意の距離に合焦した画像を作成する。この際、画像処理回路２０は、ｚ軸に対して非垂直な面を合焦面とすることもできる。
【００９４】
また、上述した実施形態の撮像装置では、フォーカス調整が手動で行われることを想定したが、フォーカス調整が自動で行われる場合、上述した実施形態の撮像装置は、次のとおり動作してもよい。すなわち、撮像装置は、フォーカス調整を行いながら、復元画像上のフォーカスエリアのｙ軸方向のコントラストを参照し、そのコントラストが最大となった時点で、フォーカス調整を終了する。なお、フォーカスエリアとは、復元画像上でユーザが予め指定したエリア、或いは、復元画像上の中央に位置する所定エリアなどである。
【００９５】
また、上述した実施形態の撮像装置では、光波面変換素子１７として、関数ｆ（ｘ）の異なる２枚の光波面変換素子を配置し、かつ、両者のｚ軸周りの回転角度を０°以外の所定角度に設定してもよい。
【００９６】
例えば、関数ｆ（ｘ）の次数が３である光波面変換素子と、関数ｆ（ｘ）の次数が５である光波面変換素子との２枚をｚ軸方向に並べ、かつ、後者のｚ軸周りの回転角度を９０°に設定してもよい。
【００９７】
なお、関数ｆ（ｘ）の次数が３であるモデルの位相変化方向のデフォーカス特性は、図２４に示したとおりであって、関数ｆ（ｘ）の次数が５であるモデルの位相変化方向のデフォーカス特性は、図２８に示したとおりである。よって、次数が３であるモデルのデフォーカス特性カーブよりも、次数が５であるモデルのデフォーカス特性カーブの方が尖っている。
【００９８】
したがって、この場合、ｘ軸方向のデフォーカス特性カーブは平坦化され、ｙ軸方向のデフォーカス特性カーブは尖ったままとなる。したがって、この場合は、２枚の光波面変換素子の全体をｚ軸周りに回転させなくとも、被写界深度の拡張効果を２次元方向へと拡張することができる（この場合、撮像素子１９に対する２枚の光波面変換素子の相対的な回転角度は、不変であってもよい。）。
【００９９】
また、上述した実施形態の撮像装置では、光波面変換素子１７として、関数ｆ（ｘ）の等しい２枚の光波面変換素子を配置し、かつ、両者のｚ軸周りの回転角度差を可変としてもよい。
【０１００】
図３９（Ａ）は、関数ｆ（ｘ）の等しい２枚の光波面変換素子の角度関係を基準状態（以下、この状態における両者の回転角度差を０°とする。）に設定したときの模式図であり、図３９（Ｂ）は、両者の回転角度差を１８０°に設定したときの模式図であり、図３９（Ｃ）は、両者の回転角度差を９０°に設定したときの模式図である。
【０１０１】
２枚の光波面変換素子の回転角度差が０°であるとき（図３９（Ａ））には、位相変化度が最小となり、両者の回転角度差が１８０°であるとき（図３９（Ｂ））には、位相変化度が最大となる。したがって、例えば、両者の回転角度差を０°と１８０°との間で切り替えれば、位相変化の有無を切り替えることが可能となる。因みに、２枚の光波面変換素子の回転角度差を９０°に設定すれば（図３９（Ｃ））、位相変化方向をｘ軸方向とｙ軸方向との双方（二次元方向）にすることができる。図４０は、ＭＴＦ値のデフォーカス特性を、２枚の光波面変換素子の回転角度差（相対角度）毎に表したグラフである。
【０１０２】
なお、図３９の構成を上述した実施形態に採用した場合であっても、２枚の光波面変換素子の全体は、ｚ軸の周りに回転可能（撮像素子１９に対して相対的に回転可能）であり、画像処理回路２０は、２枚の光波面変換素子の全体を回転させながら、位相変化方向の異なる複数枚の変調画像を取得することが望ましい。
【０１０３】
また、本発明は、生体又は工業製品などの特定種類の被写体を撮像する撮像装置（例えば顕微鏡のディジタルカメラ）や、多様な被写体を撮像する撮像装置（例えば汎用のディジタルカメラ）などに適用することができる。因みに、汎用のディジタルカメラに本発明を適用した場合は、マクロ撮影を行う際に特に効果が高くなる。なぜなら、マクロ撮影時には、被写界深度の広さと像の明るさとを両立させる必要性が高いからである。
【０１０４】
また、汎用のディジタルカメラに本発明を適用する場合には、光波面変換素子の配置先を、撮影レンズの先端側（最も物体側）としてもよい。この位置とすれば、一般的なフィルタ類（偏光フィルタなど）と同様、撮影レンズに対する光波面変換素子の着脱が容易である。
【０１０５】
また、上述した実施形態では、光波面変換素子が結像光学系の他の光学要素と別体で設けられたが、結像光学系の一部の光学要素の表面に直に設けられてもよい。
【０１０６】
また、上述した実施形態では、光束の波面形状の変換を光学要素の厚さ分布によって実現したが、光学要素の屈折率分布によって実現してもよい。また、波面変換に反射系を使用する場合は、ｚ軸方向の光路長分布によって実現してもよい。
【符号の説明】
【０１０７】
１４…結像光学系、１７…光波面変換素子、１９…撮像素子、２０…画像処理回路、２１…モニタ
【図１】
2012253602.tif 000003
【図２】
2012253602.tif 000004
【図３】
2012253602.tif 000005
【図４】
2012253602.tif 000006
【図５】
2012253602.tif 000007
【図６】
2012253602.tif 000008
【図７】
2012253602.tif 000009
【図８】
2012253602.tif 000010
【図９】
2012253602.tif 000011
【図１０】
2012253602.tif 000012
【図１１】
2012253602.tif 000013
【図１２】
2012253602.tif 000014
【図１３】
2012253602.tif 000015
【図１４】
2012253602.tif 000016
【図１５】
2012253602.tif 000017
【図１６】
2012253602.tif 000018
【図１７】
2012253602.tif 000019
【図１８】
2012253602.tif 000020
【図１９】
2012253602.tif 000021
【図２０】
2012253602.tif 000022
【図２１】
2012253602.tif 000023
【図２２】
2012253602.tif 000024
【図２３】
2012253602.tif 000025
【図２４】
2012253602.tif 000026
【図２５】
2012253602.tif 000027
【図２６】
2012253602.tif 000028
【図２７】
2012253602.tif 000029
【図２８】
2012253602.tif 000030
【図２９】
2012253602.tif 000031
【図３０】
2012253602.tif 000032
【図３１】
2012253602.tif 000033
【図３２】
2012253602.tif 000034
【図３３】
2012253602.tif 000035
【図３４】
2012253602.tif 000036
【図３５】
2012253602.tif 000037
【図３６】
2012253602.tif 000038
【図３７】
2012253602.tif 000039
【図３８】
2012253602.tif 000040
【図３９】
2012253602.tif 000041
【図４０】
2012253602.tif 000042