(57)【要約】【課題】従来の位相フィルタは、非球面の凹凸が大きく、金型の切削加工に要する時間と、材料費や運転電力などのコストがかかり、廃棄物も多く、環境負荷も大きくなる問題があった。また、凹凸が大きいほど相対的に厚さが厚くなり、それを挿入する光学系の大きさと重量が増す問題があった。【解決手段】  撮像対象物体を画像センサ面上に結像させるカメラ光学系と、検出画像に対して画像処理を施すシステムから構成される撮像カメラシステムにおいて、前記光学系の絞り位置近傍に挿入する位相フィルタであって、前記位相フィルタは、少なくとも１面が、有効径の範囲内において３つの凸部と３つの凹部を有し、うち１つの凸部が有効径内に極大値を有し、１つの凹部が有効径内に極小値を有する形状であり、残る２つの凸部と凹部は、有効径外に向かって傾斜が続く凸部と凹部であるような非回転対称の非球面形状であることを特徴とする位相フィルタ。【選択図】  図１
2013222066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カメラ光学系に用いる位相フィルタであって、
前記位相フィルタの少なくとも一方の面は、有効径の範囲内において３つの凸部と３つの凹部を有する非回転対称の非球面形状であり、前記３つの凸部のうち１つの凸部が有効径内に極大値を有しかつ前記３つの凹部のうち１つの凹部が有効径内に極小値を有し、前記３つの凸部のうち他の２つの凸部と前記３つの凹部のうち他の２つの凹部はいずれも有効径外に向かって傾斜となる形状であることを特徴とする位相フィルタ。
【請求項２】
請求項１記載の位相フィルタであって、
前記位相フィルタの他方の面は平面であり、
前記一方の面の非球面形状は、前記他方の面の平面を基準として算出される値に基づく形状であることを特徴とする位相フィルタ。
【請求項３】
請求項１に記載の位相フィルタであって、波面収差として
ｆ（ｘ，ｙ）＝α｛ｘ３＋ｙ３−（ｘ＋ｙ）／２｝
で与えられる波面収差を生じる位相フィルタ（ただしｘ、ｙは光軸に直交する位相フィルタ面内の規格化座標）。
【請求項４】
センサと、
撮像対象物体を前記センサの面上に結像させるカメラ光学系と、
前記センサにより検出された検出画像の画像処理を行う画像処理部と、
を備え、
前記カメラ光学系は、請求項１乃至３のいずれかに記載の位相フィルタを備えることを特徴とする撮像カメラシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像カメラシステムの被写界深度や焦点深度を拡大する位相フィルタ、およびそれを用いた撮像カメラシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野の背景技術として、特表２００２−５１３９５１号公報（特許文献１）がある。この公報では、非干渉光学システムの被写界深度を増大し、波長依存性を低減するシステムにおいて、特定な目的の光学マスクを組み込んでいる。光学マスクは、光学伝達関数が焦点の合った位置からある程度の範囲内で本質的に一定のままとなるように設計されている。結果的中間画像の信号処理は、マスクの光学伝達変調効果を打ち消し、その結果、増大した被写界深度に亙って焦点の合った画像をもたらす。概ねマスクは、光学システムの開口絞りまたは開口絞りの画像の場所またはその近傍に配備される。好ましくは、マスクは位相のみを変調し、光の振幅は変調しないが、振幅を関連するフィルタなどによって変えることが可能である。マスクは受動測距システムの有効範囲を増大するのに使用できる、と記載されている（要約参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００２−５１３９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術において用いられている位相フィルタの形状は特殊な非球面形状であり、現在そのような非球面形状を創生するにはプラスチックの射出成形が広く用いられている。プラスチック射出成形に用いられる金型は、数値制御機構のある非球面形成機で金属板をダイヤモンドバイトにより切削加工することによって形成される。形成された金型に対して高温で溶融したプラスチックを流し込んで固めることによって位相フィルタを形成することができる。このとき非球面の凹凸が大きいほど、金型の切削加工に要する時間と、材料費や運転電力などのコストがかかり、廃棄物も多く、環境負荷も大きくなる。したがってより凹凸の少ない形状が求められる。さらに成形物も凹凸が大きいほど相対的に厚さが厚くなり、それを挿入する光学系の大きさと重量が増す問題もある。
【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、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、撮像対象物体を画像センサ面上に結像させるカメラ光学系と、検出画像に対して画像処理を施すシステムから構成される撮像カメラシステムにおいて、前記光学系の絞り位置近傍に挿入する位相フィルタであって、前記位相フィルタは、少なくとも１面が、有効径の範囲内において３つの凸部と３つの凹部を有し、うち１つの凸部が有効径内に極大値を有し、１つの凹部が有効径内に極小値を有する形状であり、残る２つの凸部と凹部は、有効径外に向かって傾斜が続く凸部と凹部であるような非回転対称の非球面形状であることを特徴とする位相フィルタおよびそれを用いた撮像カメラシステムであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
焦点深度を拡大するための位相フィルタの非球面の凹凸が半減し、金型の切削加工に要する時間が半減し、材料費や運転電力などコストが軽減でき、廃棄物も減らすことができ、環境負荷が軽減する。さらに位相フィルタの厚さを薄くすることができ、それを挿入する光学系の大きさと重量を軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の位相フィルタの実施例である。
【図２】本発明の位相フィルタを用いた撮像システムの概略構成図である。
【図３】本発明の実施例の位相フィルタと同等の効果を有する従来の位相フィルタである。
【図４】本発明の位相フィルタによる焦点深度拡大効果を確認するシミュレーション結果である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【０００９】
本実施例では、本実施例に係る位相フィルタの実施例を説明する。
図１は、本実施例の位相フィルタによって与えられる波面収差の鳥瞰図である。位相フィルタの表面形状をｚ軸を光軸方向と仮定して、フィルタ面内の瞳半径で規格化した瞳面規格化座標ｘ、ｙの関数としてｚ＝ｆ（ｘ，ｙ）とするとき、フィルタを形成する光学材料の屈折率をｎとすると、波面収差はｗ（ｘ、ｙ）＝（ｎ−１）・ｆ（ｘ，ｙ）で与えられるため、この鳥瞰図がそのまま表面形状を反映した形状となる。本実施例においてこの形状は、ｆ（ｘ，ｙ）＝α｛ｘ３＋ｙ３−（ｘ＋ｙ）／２｝とするときα＝６９λである（λ：結像させる光の中心波長）。この波面収差は
【００１０】
【数１】
2013222066.tif 000003
【００１１】
のようにゼルニケ多項式で表すこともできる。図１に示すように波面収差のPeak to Peak値は約８０λである。本実施例の位相フィルタの形状係数αは後で示す結像光学系の実例に合わせて設計されたものであり、光学系に合わせて最適化されるものである。位相フィルタの概略形状としては円形の有効径の範囲内において３つの凸部と３つの凹部を有し、うち１つの凸部が有効径内に極大値を有し、１つの凹部が有効径内に極小値を有する形状である。残る２つの凸部と凹部は、有効径外に向かって傾斜が続く凸部と凹部である。板状にフィルタを構成するにあたってはｘ、ｙ面に略平行に平面の裏面を形成する。このようにすると裏面を基準として表面の非球面形状を触針式形状測定装置により評価するのに都合がよい。
【００１２】
図２は、本実施例に係る位相フィルタを用いた撮像システムの概略構成図であって、位相フィルタ１と、結像レンズ２とを適宜用いて構成されるカメラ光学系と、センサ４と、画像処理部６とを用いて構成される。位相フィルタ１は結像レンズ２の絞り位置に配置されている。結像対象物体面３の入力像を、センサ４のセンサ面に結像させて検出する際、焦点ずれ５があっても、画像処理部６での画像処理によって焦点ずれのない出力画像７を構成することができる。
【００１３】
図３は、比較のために図１の本実施例に係る位相フィルタと同じ焦点深度拡大作用を与える従来の位相フィルタを示している。この形状はｆ（ｘ，ｙ）＝α（ｘ３＋ｙ３）とするときα＝６９λである。図３からわかるように波面収差のPeak to Peak値は約１６０λである。これは図１で示した本実施例に係る位相フィルタの凹凸の２倍であり、本実施例に係る位相フィルタにより凹凸が従来に比べて半減できていることがわかる。
【００１４】
図４は、図１の位相フィルタを用いた場合の焦点深度拡大効果のシミュレーション結果である。スポーク状のテストチャートを入力画像と仮定し、結像レンズで結像する場合のセンサ面上の焦点ずれ（デフォーカス）変えた検出画像を横方向に並べている。上段は通常光学系の検出画像、中段は本発明の位相フィルタを絞り面に配置した場合の検出画像、下段はその画像処理後の画像である。結像レンズは焦点距離50mm、口径12.5mm、Fナンバーは４、センササイズ22.5mm□、波長0.5μｍ、物体距離50cm、像距離55.56mm、物体サイズ202.5mm、最大画角11.4°と仮定した。シミュレーションは特許文献１の記述をほぼ踏襲し、デフォーカスと位相フィルタの波面収差による点像強度分布をフーリエ変換して光学系の空間周波数伝達関数（ＯＴＦ）を求め、入力画像のフーリエ変換像に対してＯＴＦを乗じて逆フーリエ変換することで検出画像を求めた。再生画像を求めるにあたっては、検出画像のフーリエ変換に位相フィルタの伝達関数の逆数を乗じて逆フーリエ変換する、いわゆるデコンボリューションを行った。デコンボリューションで乗じる伝達関数はどのデフォーカス位置でも同じ関数を用いている。このとき像側NAは0.1125であり、焦点深度は39.5μmである。従来光学系検出画像では焦点ずれに伴って空間周波数の高い中心部からぼけが発生しているが、フィルタを挿入した検出画像ではどの焦点ずれにおいても一様なぼけが発生しており、画像処理によっていずれの焦点ずれ位置においてもほぼぼけのない同等の検出画像が得られていることがわかる。これにより仮に焦点深度が６ｍｍになったと仮定すると、焦点深度理論値に比較して151倍に焦点深度が拡大されていることがわかる。
【符号の説明】
【００１５】
１  位相フィルタ
２  結像レンズ
３  結像対象物体面
４  センサ
５  焦点ずれ
６  画像処理部
７  再生画像
【図１】
2013222066.tif 000004
【図２】
2013222066.tif 000005
【図３】
2013222066.tif 000006
【図４】
2013222066.tif 000007