(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察する被写体近傍に設定した物体面と光学的に共役な位置関係にある中間像面に中間像を結像する第１の光学系と、
上記中間像面に向かって上記第１の光学系から到達する光線の光軸に直交して配置され、上記第１の光学系から到達する光線を反射するミラーと、
上記第１の光学系の光路中に配置され、上記ミラーが反射した光線を第２の光学系の光軸方向に反射するハーフミラーと、
上記ハーフミラーが反射した光線を入射させ、上記中間像面と光学的に共役な位置関係にある最終像面に最終像を結像する上記第２の光学系と、
上記最終像面に自己の撮像面に位置するように配置された撮像手段と、
上記ミラーの位置を上記第１の光学系の光軸方向に変化させるミラー駆動手段と、
を備えてなることを特徴とする画像入力装置。
【請求項２】
上記第１の光学系、および、第２の光学系のうち、少なくとも一方は、中間像面に対してテレセントリックであることを特徴とする請求項１記載の画像入力装置。
【請求項３】
上記最終像面に結像させる被写体の像倍率を変化させる像倍率変化手段を中間像に対してテレセントリックになっていない方の上記第１の光学系、または、第２の光学系の何れかに有することを特徴とする請求項２記載の画像入力装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被写体距離の異なる複数の像を撮像することが可能な画像入力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、被写界深度の浅い光学系を用いたとしても３次元被写体の各位置に焦点の合った画像を取り込むことができる、所謂、被写界深度の深い撮像装置について各種の提案がなされている。
【０００３】
その提案されものの一例としての長焦点深度顕微鏡は、封入された透明液体の内圧によってレンズ形状を高速変化させる可変焦点レンズを対物レンズとして適用する光学顕微鏡である。この顕微鏡は、上記可変焦点レンズの焦点位置を高速で周期的に変化させることによって、人間の視覚の残像現象を利用し、被写界深度を拡大した像をリアルタイムで表示することを可能としたものである。
【０００４】
また、本出願人が先に提案した特開平１−３０９４７８号公報に開示の画像入出力装置は、撮影レンズを介して取り込まれる被写体像を撮像素子により電気的撮像信号に変換する装置であるが、上記撮影レンズを合焦点位置制御器により合焦位置を変化させ、所定間隔に位置する被写体に合焦した複数画面の被写体撮像情報を取り込むものである。そして、その複数画面の被写体撮像情報に基づいて、加算処理とフィルタリング処理を行い、上記各位置にある被写体に合焦した被写界深度の深い映像情報を得ることができる。
【０００５】
また、特公平５−２７０８４号公報、および、ドイツ国特許公報ＤＴ２３０１８００号公報の画像入力装置は、いずれも露出時間中に焦点を移動することで被写界深部を拡大するものであるが、焦点移動の手段として、前者では顕微鏡における試料と鏡筒のいずれかを移動させ、また、後者では振動台上の物体、すなわち、試料をそれぞれ光軸方向に移動させることによって行う。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の長焦点深度顕微鏡においては、使用される可変焦点レンズが封入透明液体を外部から加圧してその焦点位置を変化させるものであり、焦点位置を変化させるためのアクチュエータとして圧電素子を用いるため、その駆動手段として１００Ｖ程度の出力電圧が得られる高電圧アンプが必要である。また、光学素子として、厚さ１０μｍ程度のガラスダイヤフラムを用いる。このように特殊な構成要素が必要であって、レンズ自体および駆動部のコスト，量産性，信頼性に問題があった。
【０００７】
また、上述の特開平１−３０９４７８号公報に開示の画像入出力装置は、光学系として通常のレンズを用いた装置である。この通常のレンズの場合、例えば、Ｆ２．８の明るさを得るために、４，５枚のレンズを必要とする。このようなレンズは、レンズ自体や鏡枠の重量が重い。従って、モータ駆動により焦点位置を動貸して複数の画像を撮影するには数秒を要する。すなわち、被写界深度の深い１枚の像を得るために数秒の時間を要することになる。これらの動作を高速化して画像をリアルタイム表示することは、上述の重量上の問題により困難であった。
【０００８】
また、上述の特公平５−２７０８４号公報、および、ドイツ国特許公報ＤＴ２３０１８００号公報の画像入力装置に提案されたの方法ではリアルタイムの表示が制約されるか、あるいは、表示できないという欠点があった。すなわち、被写界深度の深い画像を毎秒６０コマ程度で表示するためには、少なくとも３０Ｈｚの周波数で焦点移動を振動駆動的に行わなければならない。しかし、顕微鏡の鏡筒をそのように振動駆動することは困難である。また、試料側を振動駆動するとしても、それが可能である場合は、あくまで試料が小さく、軽量である場合に限られる。試料が大きく、重い場合は、そのような駆動は不可能である。
【０００９】
本発明は、上述の不具合を解決するためになされたものであって、被写界深度の比較的浅い光学系を用いた場合でも、光軸方向における被写体の様々な像を高速で撮像可能であって、特殊の素子を使用せず、装置の構成も簡単である画像入力装置を提供し、また、被写体としての試料の大きさ，重さ等によらず比較的被写界深度の深い画像を得ることが可能な画像入力装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載の画像入力装置は、観察する被写体近傍に設定した物体面と光学的に共役な位置関係にある中間像面に中間像を結像する第１の光学系と、上記中間像面に向かって上記第１の光学系から到達する光線の光軸に直交して配置され、上記第１の光学系から到達する光線を反射するミラーと、上記第１の光学系の光路中に配置され、上記ミラーが反射した光線を第２の光学系の光軸方向に反射するハーフミラーと、上記ハーフミラーが反射した光線を入射させ、上記中間像面と光学的に共役な位置関係にある最終像面に最終像を結像する上記第２の光学系と、上記最終像面に自己の撮像面に位置するように配置された撮像手段と、上記ミラーの位置を上記第１の光学系の光軸方向に変化させるミラー駆動手段と、を備えてなる。上記画像入力装置においては、上記第１の光学系にて上記ハーフミラーを透過した光線が、各駆動位置にある上記ミラーで反射され、さらに上記ハーフミラーにより反射されて上記第２の光学系に入射し、上記第２の光学系により撮像手段の撮像面上に結像することで、上記ミラーの駆動位置に対応する距離にある複数の被写体物体面に合焦した最終像が取り込まれる。
【００１１】
本発明の請求項２記載の画像入力装置は、上記請求項１記載の画像入力装置において、上記第１の光学系、および、第２の光学系のうち、少なくとも一方は、中間像面に対してテレセントリックである。上記画像入力装置においては、上記第１の光学系からの光線が各駆動位置にある上記ミラーで反射され、第２の光学系により撮像手段の撮像面上に結像させ、上記ミラーの駆動位置に対応する距離にある被写体の最終像が取り込まれる。
【００１２】
本発明の請求項３記載の画像入力装置は、請求項２記載の画像入力装置において、上記最終像面に結像させる被写体の像倍率を変化させる像倍率変化手段を中間像に対してテレセントリックになっていない方の上記第１の光学系、または、第２の光学系の何れかに有する。上記画像入力装置においては、上記像倍率変化手段によりテレセントリックでない方の光学系の像倍率を変化させ、これによって、最終像倍率を変化させる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、図を用いて本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態である画像入力装置のブロック構成図である。本実施形態の画像入力装置は、被写界深度の深い画像を取り込み可能な光学式顕微鏡等に適用可能であって、図１に示すように、主に後述するカメラヘッド１と、ＣＣＵ（カメラコントロールユニット）２、および、モニタ２７で構成される。なお、本装置により撮影される被写体３は、第１の光学系の光軸Ｏ1 方向を軸Ｚとする３次元被写体である。
【００３９】
上記カメラヘッド１は、主に被写体光を取り込み、結像させる撮像光学系１１と、自己の撮像面上に結像した被写体像を電気信号に変換するＣＣＤ（ CHARGE COUPLED DEVICE ）、または、ＣＭＤ（ CHARGE MODULATED DEVICE ）等で構成される撮像手段としての撮像素子１２と、可動ミラー２０を振動駆動するミラー駆動手段としてのアクチュエータであるＶＣＭ（ボイスコイルモータ）１３とで構成されている。
【００４０】
上記ＣＣＵ２は、主に全装置の制御を司るＣＰＵ等で構成されるコントロール回路２１と、上記撮像素子１２より出力される電気信号を処理し、可動ミラーの所定の駆動位置に対応した複数の画面の撮像信号を出力する回路であるＡ／Ｄ変換回路２２と、上記複数の画面の撮像信号を加算する被写界深度調整要素である加算処理回路２３と、上記加算処理された撮像信号から合焦状態の１画面分の撮像信号を取り出す回復処理を行って、その映像信号をモニタ２７に出力する被写界深度調整要素である回復処理回路２４と、ＶＣＭ１３を駆動するためのＶＣＭドライバ２５とで構成されている。
【００４１】
以下、上記各構成要素について詳細に説明する。上記撮像光学系１１は、上記図１、および、該光学系の光路図である図２に示すように、レンズ群１４ａ，１４ｂ，開放固定の絞り開口１４ｃからなる第１結像レンズ鏡枠１４と、ハーフミラー１５と、フィールドレンズ１６と、振動駆動され、順次的に平行移動する平面鏡で構成される可動ミラー２０と、平面鏡のミラー１７と、レンズ群１８ａ，１８ｂ，調整可能な絞り開口１８ｃからなる第２結像レンズ鏡枠１８と、平面鏡のミラー１９で構成されている。
【００４２】
なお、上記第１結像レンズ鏡枠１４，ハーフミラー１５，フィールドレンズ１６で第１の光学１１ａを構成し、上記フィールドレンズ１６，ハーフミラー１５，ミラー１７，第２結像レンズ鏡枠１８，ミラー１９で第２の光学系１１ｂを構成する。また、上記撮像光学系１１におけるミラーは、反射回数が偶数回になるように構成し、撮像素子１２の撮像面上の像を正立像としている。
【００４３】
図２の光路図において、ミラー部を展開して示した等価的な光路展開図である図３に示すように第１の光学系１１ａは、絞り開口１４ｃの中心を通った被写体光の主光線Ｌ1 が光軸Ｏ1 と平行となり、中間像面ＰC に対してテレセントリック系となっている。また、第２の光学系１１ｂについても中間像光のうちで、絞り開口１８ｃの中心を通る主光線Ｌ2 が光軸Ｏ1 と平行である。すなわち、光学系１１ａ，１１ｂは、中間像面ＰC に対してテレセントリック系となっている。
【００４４】
撮影しようとする被写体３近傍に設定した複数の物体面ＰW からの被写体光線は、光軸Ｏ1 上の上記第１の光学系１１ａを屈折、または、透過し、可動ミラー２０反射面上、または、近傍にあって、上記物体面ＰW と共役な中間像面ＰC に中間像４として結像される。
【００４５】
さらに、上記中間像の光線、または、中間像面に向かう光線は、Ｄ0 方向に振動駆動される可動ミラー２０で上記光軸Ｏ1 に方向に反射され、光軸Ｏ2 に沿って上記第２の光学系１１ｂを屈折、または、反射して上記中間像面ＰC と共役な最終像面である撮像素子１２上の撮像面ＰE に最終像５として結像する。
【００４６】
ここで、可動ミラー２０の変位に伴う物体面，レンズ，像面の位置の変化を図３において添字1 〜3 を付して示し、各可動ミラー位置に対する結像の状態等を詳細に説明する。
可動ミラー２０が基準位置Ｍ2 にある場合は、物体面ＰW2の中間像４/2が第１の光学系１１ａによって、中間像面ＰC2上に結像し、さらに、その最終像５/2が第２の光学系１１ｂによって、撮像面ＰE2上に結像する。
【００４７】
次に、可動ミラー２０がフィールドレンズ１６に接近し、位置Ｍ3 に到達すると、第２の光学系としてのフィールドレンズ１６，第２結像レンズ鏡枠１８は、左方向の１６/3，１８/3の位置に、さらに、撮像素子１２の撮像面も左方向の撮像面ＰE3の位置にそれぞれ移動した状態と等価になる。従って、物体面ＰW2よりも左側の物体面ＰW3の中間像４/3が中間像面ＰC3上に結像し、さらに、その最終像５/3が撮像面ＰE3上に結像する。
【００４８】
また、可動ミラー２０がフィールドレンズ１６から離間し、位置Ｍ1 に到達すると、第２の光学系としてのフィールドレンズ１６，第２結像レンズ鏡枠１８は、右方向の１６/1，１８/1の位置に、さらに、撮像素子１２の撮像面も右方向の撮像面ＰE1の位置にそれぞれ移動した状態と等価になる。従って、物体面ＰW2よりも右側の物体面ＰW1の中間像４/1が中間像面ＰC1上に結像し、さらに、その最終像５/1が撮像面ＰE1上に結像する。
【００４９】
上述のように本実施の形態の装置によると、可動ミラー２０のみを移動するだけで第２の光学系１１ｂと撮像素子１２の両方を移動することと等価的に機能し、光学系の合焦位置を動かすことができる。
【００５０】
ここで、第１の光学系１１ａが縮小光学系であれば、特に好ましい特性を得ることが可能となるが、以下にその説明を行う。
いま、可動ミラー２０の位置Ｍ2 から位置Ｍ3 に移動した場合を考え、その移動量をΔＺM とすると、第２の光学系上のフィールドレンズ１６、および、中間像面ＰC の移動量ΔＺC は、上記移動量ΔＺM による光路長の変化分に等しく、
ΔＺC ＝２・ΔＺM   ……（１）
となる。
【００５１】
一方、物体面ＰW2からＰW3への移動量をΔＺW とすると、第１の光学系１１ａの横倍率βa によって、上記移動量ＺC は、次式で関係付けられる。すなわち、
ΔＺC ＝βa2・ΔＺW  ……（２）
となる。式（１），式（２）より、
ΔＺW ＝２・ΔＺM ／(βa)2  ……（３）
となる。式（３）は、横倍率βa が小さいほど、すなわち、第１の光学系１１ａが強い縮小系であるほど可動ミラー２０の僅かな動きでも物体面ＰW の大きな移動が得られることを示している。上記の各式は、物体面ＰW2〜ＰW3の間について説明した式であるが、物体面ＰW2〜ＰW1の間についても同様であることは勿論である。
【００５２】
従って、例えば、横倍率βa が０．５であり、移動量ΔＺM が１ｍｍである場合、物体面の移動量ΔＺW は、８ｍｍとなる。すなわち、可動ミラー２０を±１ｍｍだけ移動させれば、物体面ＰW は、±８ｍｍの範囲で動くことになる。このような特性が可動ミラー駆動系の負担の軽減になることはいうまでもない。
なお、最終像５として拡大像を必要とする画像入力装置に対しては、第２の光学系１１ｂの倍率を大きくとって、第１，第２の光学系１１ａ，１１ｂの全体として拡大光学系になるように設計すればよい。
【００５３】
図４は、上記ＶＣＭ１３の構造を示す要部断面図である。本図に示すようにＶＣＭ１３は、主にモータ本体に固定される永久磁石１３ａを有するヨーク１３ｂと、コイル１３ｃが巻回された可動ボビン１３ｄと、可動ボビン１３ｄに固着されている支持体１３ｅと、可動ボビン１３ｄに結合され、支持体１３ｅを介してその中央部を支持される平行板バネ１３ｈ，１３ｉと、モータ本体に固着され、平行板バネ１３ｈ，１３ｉの端部を固定して支持するバネ端支持体１３ｇと、一方の平行板バネ１３ｉの中央部に固定され、可動ミラー２０を保持するミラー保持体１３ｆとで構成されている。
【００５４】
前記ＶＣＭドライバ２５より交流駆動電圧Ｖｃがコイル１３ｃに供給されると、可動ボビン１３ｄがＤ0 方向に振動駆動される。このＶＣＭ１３の振動周波数は、半周期Ｔｃ／２（図６参照）で１画面の画像データが出力されることからモニタ２７に出力されるＮＴＳＣ方式の映像信号のフィールドレートが６０Ｈｚであることから、例えば、３０Ｈｚとする。また、もし出力信号がインターレース方式ならば、ＶＣＭ１３の振動周期は、フレームレートより決まる。例えば、フレームレートが６０Ｈｚならば、振動周波数は３０Ｈｚである。
【００５５】
なお、上記撮像素子１２としては、上記ＶＣＭの振動の半周期Ｔｃ／２で所定複数画面の画像の高速読み取りが可能なフレームレートを有する高速撮像素子を採用する必要がある。
【００５６】
一方、ＶＣＭ１３の振動の振幅Ｂｃ（図６参照）は、可動ミラー２０が該振幅値で移動することによって、図２に示す被写体３に設定された複数の物体面ＰW と共役である複数の中間像面ＰC 上の中間像４を撮像素子１２上の固定された最終像面の撮像面ＰE に結像させることができるに十分な値とする。
【００５７】
具体的に説明すると、図３に示すように、例えば、被写体３上に設定された複数の物体面ＰW をＰW1，ＰW2，ＰW3とし、また、第１の光学系１１ａを介して複数の中間像面ＰC1，ＰC2，ＰC3上に中間像４が結像するものとした場合には、次の条件を満足させる必要がある。
【００５８】
すなわち、可動ミラー２０が上記振幅Ｂｃの中心位置である基準位置Ｍ2 にあるとき、中央の中間像面ＰC2にある中間像４を第２の光学系１１ｂを介して撮像素子１２の最終像面である撮像面ＰE 上に最終像５として結像させる。さらに、可動ミラー２０が振幅Ｂｃ内の移動位置Ｍ1 、または、Ｍ3 にあるときは、中間像面ＰC1，ＰC3にある中間像４を第２の光学系１１ｂを介して撮像素子１２上の撮像面ＰE に最終像５として結像させる必要がある。
【００５９】
上述のように複数の物体面ＰW1，ＰW2，ＰW3が設定された被写体を撮影するためには、ＶＣＭ１３の振動の振幅Ｂｃは、上記基準位置Ｍ2 を中心にして振動させた場合、少なくとも上記移動位置Ｍ1 、または、Ｍ3 を含む範囲の振幅を必要とする。
【００６０】
以上のように構成された本実施の形態の画像入力装置における撮影動作について、上記図１〜図３の他に、図５〜図１０を用いて説明する。
なお、上記図５は、被写体と撮像光学系と可動ミラーの関係を示す図であり、図６は、可動ミラーの振動波形を示す図である。また、図７〜図９は、各経過時間での被写体像の照度分布をｚ軸と直交するｘ軸に対して示した図である。図１０は、上記図７〜図９で得られた被写体像の光量を加算したデータを示す図であり、図１１は、図１０で得られた加算データを回復処理を施して得られた被写体画像データの強度分布を示した図である。
【００６１】
なお、以下の画像データの処理動作において、実際には光軸Ｏ1 方向と一致するｚ軸に対して直交する平面と対応する撮像素子の結像平面に関して画像データの処理が行われるが、以下の具体例の説明においては、ｚ軸に直交するｘ軸のみに沿ったデータ処理として説明する。
【００６２】
本実施の形態の画像入力装置においては、撮影する被写体３近傍に複数の物体面ＰW を設定する。例えば、図３に示すように設定物体面としてＰW1 ，ＰW2（中央位置），ＰW3 を設定する。
【００６３】
なお、被写体３の例として、図５に示すように上記物体面ＰW1，ＰW2，ＰW3上にある点光源の被写体３/1，３/2，３/3を用いる。また、可動ミラー２０の振動波形は、図６に示す正弦波であって、その最大振幅Ｂｃ内に基準位置Ｍ2 および移動位置Ｍ1 ，Ｍ3 が存在するものとする。以下の撮影状態において、その各位置Ｍ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 は、上記各被写体３/1，３/2，３/3に対する合焦最終像５を得るための可動ミラー駆動位置になる。
【００６４】
まず、被写体像の撮影に先立って、可動ミラー２０が基準位置Ｍ2 にあるとき、中央物体面ＰW2上の被写体３/2の像が撮像素子１２の撮像面ＰE上で結像するように第１結像レンズ鏡枠１４の位置調整を行う。
【００６５】
上述の調整を行った後、ＶＣＭ１３を駆動し、可動ミラー２０を振動させる。その振動駆動中の半周期ＴC ／２において、可動ミラー２０が上記位置Ｍ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 に位置する経過時間ｔ1 ，ｔ2 ，ｔ3 毎に撮像素子１２から出力される撮像信号を撮像信号処理２２に取り込む。図７〜図９の線図は、撮像素子１２にて上記経過時間ｔ1 ，ｔ2 ，ｔ3 で各単位受光面積当たりの所定の電荷蓄積時間に蓄積された電荷から求められる照度Ｉt1（ｘ），Ｉt2（ｘ），Ｉt3（ｘ）の変化をｘ軸に関して示した線図である。例えば、経過時間ｔ1 においては、可動ミラー２０が位置Ｍ1 にあることから、撮像素子１２の撮像面ＰE に、物体面ＰW1にある被写体３/1のみが合焦状態にあり、他の被写体３/2，３/3が非合焦状態にある画像の照度分布Ｉt1（ｘ）（図７）が得られる。以下、経過時間ｔ2 ，ｔ3 においても同様に可動ミラー２０が位置Ｍ2 ，Ｍ3 に移動することからそれぞれ被写体３/2のみ、または、被写体３/3のみが合焦状態にある画像の照度分布Ｉt2（ｘ），Ｉt3（ｘ）（図８，図９）が得られる。
【００６６】
続いて、上記各経過時間ｔ1 ，ｔ2 ，ｔ3 における上記照度Ｉt1（ｘ），Ｉt2（ｘ），Ｉt3（ｘ）の変化をもつ画像データが加算処理回路２３に出力され、ｘ軸に沿って光量値が加算され、図１０に示すような照度分布の加算データΣＩ（ｘ）で示される画像データが求められる。この照度分布加算データΣＩ（ｘ）には、非合焦状態の被写体像信号による低周波の空間周波数成分も含まれている。そこで、非合焦状態の被写体像信号成分を取り除き、合焦画像データ成分のみを取り出すために、回復処理回路２４にて空間周波数フィルタリングによる回復処理が行われる。図１１は、上記回復処理が行われた後の画像データでの強度分布Ｉ0 （ｘ）を示す図であって、図５に示した物体面ＰW の異なる被写体３/1，３/2，３/3のすべてに合焦した被写界深度の深い画像信号が得られることを示している。
なお、上記加算処理回路２３による加算処理と上記回復処理回路２４による回復処理については、図１５〜図２１等を用いて後で詳細に説明する。
【００６７】
以上、説明したように本実施の形態の画像入力装置によると、被写界深度が浅い撮像光学系を用いたとしても、中間像面近傍に設けた可動ミラー２０を振動駆動することによって、レンズを駆動しなくても撮像面に結像する物体面を変化させることができ、被写界深度の深い被写体像を取り込むことができる。
【００６８】
例えば、図５に示すように可動ミラー２０を振動させない状態にあっては、撮像光学系１１の被写界深度が浅い深度ΔＺｂ′であったとしても、可動ミラー２０を振動させて撮像信号を取り込み、上述した画像処理を施すことによって被写界深度が深い深度ΔＺｂの画像データを取り込むことが可能となる。
【００６９】
なお、ここでは説明を簡単にするために、被写体３/1，３/2，３/3に合焦した画像を加算することにしたが、Ｚ方向により広い範囲の画像を加算すれば、より望ましい。また、厳密には図１０に示すΣＩ（ｘ）において、被写体３/1，３/3の像は、３/2に比べて、多少ボケの成分が多くなる。したがって、図１１に示すＩ0 （ｘ）において、被写体３/1，３/3の像にはわずかにボケが残ることになる。しかし、これは、実用上、問題ないレベルである。これらの性質は、後述する第３の実施の形態の例でも同様である。
【００７０】
また、本実施の形態の装置は、被写体の合焦位置を変化させるために撮像光学系全体の位置を変化させるのではなく、質量の小さい可動ミラー２０のみを振動駆動させるように構成しているので、振動の周波数を、例えば、３０Ｈｚ程度迄高め、回復像をリアルタイムで表示することができる。さらに、光学系駆動用のアクチュエータであるＶＣＭ１３が小型化できる。
【００７１】
そして、上記可動ミラー２０の基準位置は、中間像面位置としているので、ミラー２０の移動による焦点移動に伴って生じるフィールドレンズ１６における収差の増大を最小限に抑えることができる。また、可動ミラー２０の有効な反射面を小さくできることからＶＣＭ１３の駆動負荷質量が小さくなり、さらにＶＣＭ１３の小型化が可能になる。
【００７２】
また、本実施の形態の装置では、光学系にハーフミラー１５を適用しているので、第１の光学系と第２の光学系でフィールドレンズ１６を共用することができ、さらに、可動ミラー２０を第１の光軸Ｏ1 上に配設することができるので装置全体を安価に、また、小型にまとめることができる。
【００７３】
また、本実施の形態の装置においては、上記第２の光学系１１ｂが中間像面に対してテレセントリック系を形成する撮像光学系を採用しており、合焦度合いの変化により像倍率が変化することを抑えているので、より精度の高い回復処理を可能にしている。
【００７４】
但し、必ずしも第１の光学系１１ａと第２の光学系１１ｂの双方を中間像面に対してテレセントリックに構成する必要はなく、何れか一方の光学系をテレセントリックとすれば、上述の像倍率の変化は抑えられることから、その変形例として上記第１の光学系１１ａと第２の光学系１１ｂの何れか一方をテレセントリック系とした撮像光学系を採用した画像入力装置でも前記第１実施の形態の画像入力装置と同等に被写界深度の深い被写体像を取り込むことが可能である。
【００７５】
但し、非テレセントリック系側の光学系の絞りは、口径が十分に大きく、テレセントリック系側の光学系を通過する光線を蹴らないようにする必要がある。また、第１の光学系を非テレセントリック光学系とし、第２の光学系をテレセントリック光学系とした方が、ズーミングの際には第１の光学系を移動させればよく、撮像素子を移動させる必要がないことからより実用的である。なお、第１の光学系をテレセントリック光学系とし、第２の光学系を非テレセントリック光学系としてもよい。
【００７６】
例えば、拡大像を得るために光学倍率を上げたい場合は、第１の光学系に顕微鏡用対物レンズを用いるのが現実的である。顕微鏡対物レンズには絞りが組み込まれているので、この絞りをテレセントリックとして機能するように適切に配置すればよい。後述する第４，第５実施の形態の例は、これらの理由から顕微鏡対物レンズを用いる例として有効である。
【００７７】
なお、ミラー駆動手段としてのアクチュエータは、上述の実施の形態に適用したＶＣＭ１３に限らず、バイモルフ圧電素子型アクチュエータ、あるいは、ステッピングモータ等を適用可能である。また、可動ミラーを振動駆動させずに一方向のみの駆動で複数の物体面上の被写体像を取り込むように構成することも可能であり、この場合、上記アクチュエータとしてソレノイド等を適用すればよく、低価格の画像入力装置を提供できる。
【００７８】
また、可動ミラー２０の基準位置は、上述の実施の形態の装置のように第１の光学系１１ａと第２の光学系１１ｂの間の中間像面位置に必ずしも位置させる必要はなく、収差の増大が実用上無視できる範囲ならば、第１，第２の光学系の間のどの位置に配設してもよい。但し、その可動ミラー２０が配設される基準位置とその振動による移動位置内にあるとき、撮影時に設定される３次元被写体３の複数の物体面に対して撮像素子１２の撮像面ＰE が共役となるように設定することは勿論である。
【００７９】
本実施の形態の画像入力装置では、特に位置センサにより可動ミラーの振動位置の検出は行っておらず、予め設定された各種の駆動条件のもとで振動駆動し、撮像が行われる。しかし、カメラヘッド１の姿勢等により可動ミラーの基準位置Ｍ2 やその振幅Ｂｃが変化する可能性のある画像入力装置に適用する場合は、上記カメラヘッドの姿勢検出センサや可動ミラー位置検出センサを設け、可動ミラーの実際の振動駆動位置を検出、または、推定し、それに対応した撮像を行う必要があることは勿論である。
【００８０】
また、上記実施の形態の画像入力装置に適用した上記ハーフミラー１５に代えてペリクルミラーやビームスプリッターを適用することも可能である。なお、上記ペリクルミラーとしては、膜厚５μｍ以下のものがよく、ゴースト、および、非点収差が生じにくい。
【００８１】
次に、本発明の第２の実施の形態の画像入力装置について説明する。
本実施の形態の画像入力装置は、前記第１の実施の形態の装置の撮像光学系１１に対して図１２の構成図に示す撮像光学系３１を適用するものである。上記撮像光学系３１は、可動ミラーとして可動ダハミラー３２を用いる光学系であり、この場合、前記ハーフミラー１５を用いる必要がなく、光量のロスを少なくすることができる。なお、ＣＣＵ２やＶＣＭ１３等、その他の制御部は、前記図１に示した第１の実施の形態の装置と同様の構成を有している。
【００８２】
上記撮像光学系３１は、主に図１２に示すように被写体光を取り込むための第１の光学系３１ａと、ＶＣＭ１３により振動駆動され、順次的に平行移動する可動ダハミラー３２と、撮像素子１２に被写体像を結像させるための第２の光学系３１ｂで構成されている。
【００８３】
上記第１の光学系３１ａは、前記第１の実施の形態の装置の場合と同様に開放固定の絞り開口を有する結像レンズ１４と、フィールドレンズ１６とで構成され、その光軸をＯ1 とする。また、上記第２の光学系３１ｂも前記第１の実施の形態の装置の場合と同様に調整可能な絞り開口を有する結像レンズ１８と、フィールドレンズ１６′と、２つの平面鏡のミラー１７，１９で構成され、その光軸をＯ2 とする。なお、上記フィールドレンズ１６とフィールドレンズ１６′間に中間像が形成されるが、その中間像面に対して上記第１の光学系３１ａと第２の光学系３１ｂは、共にテレセントリック系となっているか、あるいは、第２の光学系３１ｂのみがテレセントリック系になっている。
【００８４】
上記可動ダハミラー３２は、２つの反射面３２ａ，３２ｂを有するダハミラーであって、ＶＣＭ１３により振動駆動される。そして、各駆動位置にて第１の光学系の光軸Ｏ1 からの到達する光線を第２の光学系３１ｂの光軸Ｏ2 方向に反射する。ここで、可動ダハミラー３２の振動方向と、光軸Ｏ1 ，Ｏ2 は、互いに平行である。
【００８５】
上記撮像光学系３１を適用する本実施の形態の画像入力装置においては、前記第１の実施の形態の装置の場合と同様に可動ダハミラー３２を振動駆動することによって、被写体３の近傍に設定された複数の物体面にそれぞれ合焦した複数の撮像画像に基づいて、前述の加算処理、および、回復処理を施すことによって、被写界深度の深い被写体像を取り込むことができる。
【００８６】
本実施の形態の装置によると、可動ミラーとして可動ダハミラー３２を適用したことによって、ハーフミラー１５を用いる必要がないことから、光量のロスを少なくすることができ、明るい画像を取り込むことができる。
【００８７】
次に、前記第１の実施の形態の画像入力装置の第１の変形例について説明する。前記第１の実施の形態の画像入力装置では、可動ミラーの各駆動位置で得られる複数の撮像データを加算処理回路で加算処理した後、回復処理を施して被写界深度の深い画像データを得るようにしたものであるが、上記加算処理回路を設けることなく、その加算処理を撮像素子上で行い、同様に被写界深度の深い画像データを得ることのできる第１の変形例の画像入力装置を提案できる。
【００８８】
図１３は、第１の変形例としての画像入力装置のブロック構成図であって、この第１の変形例の装置のＣＣＵ（カメラコントロールユニット）５においては、撮像素子であるＣＣＤ１２′からの撮像信号を処理するＡ／Ｄ変換回路２２の出力は、直接、回復処理回路２４に入力され、回復処理が行われる。なお、その他の構成は、前記図１に示した第１の実施の形態の装置の構成と同様とする。また、上記ＣＣＤ１２′は、他の形式の撮像素子、例えば、電荷変調素子であるＣＭＤであってもよい。
【００８９】
上記ＣＣＤ１２′は、通常の速度のフレームレートを有する撮像素子であり、例えば、１／６０秒につき、１フィールド画面の画像データを取り込むものとする。可動ミラー２０は、振動周期を１／３０秒として、その半周期の間に上記ＣＣＤ１２′の１フィールド画像が取り込まれるように、コントロール回路２１によりＶＣＭ１３の駆動位相が制御される。また、前記実施の形態の場合と同様に被写体３近傍に設定されている物体面に対する共役な中間像面が第１，第２の光学系の間に位置する状態で、最終像面がＣＣＤ１２′の撮像面に位置するように可動ミラー２０は、振動駆動される。
【００９０】
そこで、本第１の変形例の装置により撮影を行った場合、可動ミラー２０が両振幅の間の半サイクル駆動されている間、ＣＣＤ１２′では、可動ミラー２０の移動位置と共に、刻々と変化して行く被写体３の物体面上の像に基づき、各受光素子部にて電荷量として積算され、結果的に加算された撮像信号としてＡ／Ｄ変換回路２２に入力される。さらに、その１フィールド分の撮像信号がＡ／Ｄ変換回路２２を介して回復処理回路２４に出力される。
【００９１】
例えば、前記図５に示した被写体３を撮像した場合を考えると、上記  可動ミラー２０の半サイクル駆動の間、各移動位置において図７〜図９に示すような光量が順次、ＣＣＤ１２′の撮像面から入射し、積算されて行く。すなわち、撮像面上で加算処理が実行されることになる。そして、上記半サイクルの駆動が終了した時点では、可動ミラー２０の半サイクル駆動の間にＣＣＤ１２′に取り込まれた前記図１０に示したような光量の変化を持つ合焦状態および非合焦状態での撮像信号の加算データがＡ／Ｄ変換回路２２から回復処理回路２４に出力される。上記図１０に示す光量データは、前記第１の実施の形態等の装置における加算処理回路２３で加算処理を行って得たものと同等のものである。
【００９２】
その後、回復処理回路２４にて上記撮像信号に基づき回復処理を施し、さらに、ＮＴＳＣ形式等の映像信号に変換することによって、第１の実施の形態の場合と同様に被写界深度の深い１つの撮像画面を得る。
【００９３】
本第１の変形例の画像入力装置によれば、前記第１の実施の形態の装置と同様の効果が得られ、同時に、撮像素子として通常のフレームレートのＣＣＤ１２′を適用可能であり、また、加算処理回路を不要とすることから低価格の画像入力装置を提供することが可能となる。
なお、本変形例の装置には前記第２の実施の形態に適用した撮像光学系３１も適用可能であることは勿論である。
【００９４】
次に、前記第１の実施の形態の画像入力装置の別の変形例である第２の変形例について説明する。前記第１の実施の形態の画像入力装置では、加算処理回路２３と回復処理回路２４を必要としたが、上記加算処理回路２３および回復処理回路２４を必要とせず、同様に被写界深度の深い画像データを得ることが可能な第２の変形例の画像入力装置を提案することも可能である。
【００９５】
図１４は、上記第２の変形例としての画像入力装置のブロック構成図である。この第２の変形例の装置では、カメラコントロールユニット６に加算処理回路および回復処理回路を設けることなく、撮像素子であるＣＣＤ１２′からの撮像信号は、モニタ出力回路２６でＮＴＳＣ形式等の映像信号に変換されて、直接、モニタ２７に出力される。なお、その他の構成は、前記図１に示した第１の実施の形態の装置の構成と同様とする。
【００９６】
上記ＣＣＤ１２′は、前記第１の変形例の場合と同様の通常の速度のフレームレートを有する撮像素子であり、例えば、１／６０秒につき、１フィールド画面の画像データを取り込むものとする。可動ミラー２０も第１の変形例の場合と同様に振動周期を１／３０秒として、その半周期の間に上記ＣＣＤ１２′の１フィールド画像が取り込まれるように、コントロール回路２１によりＶＣＭ１３の駆動位相が制御される。また、可動ミラー２０の被写体３に対する振動駆動位置も前記第１の変形例の場合と同様とする。
【００９７】
本第２の変形例の装置により撮影を行った場合、可動ミラー２０が両振幅の間の半サイクル駆動されている間、ＣＣＤ１２′では、可動ミラー２０の駆動位置と共に、刻々と変化して行く被写体３の物体面上の像に基づき、各受光素子部にて電荷量として積算され、加算された１画面分の撮像信号としてモニタ出力回路２６において、例えば、ＮＴＳＣ形式の映像信号に変換され、モニタ２７に出力される。
【００９８】
上述のように可動ミラー２０の移動位置で得られた被写体上の各物体面に合焦した撮像信号が積算、すなわち、加算されていた撮像画面が周期的にモニタ２７に表示することによって、人間の視覚の残像現象を利用した被写界深度の深い画像を観察することができる。
【００９９】
本変形例の画像入力装置によれば、加算処理回路や回復処理回路を必要としないことから被写界深度の深い画像観察が可能な安価で小型の画像入力装置を実現することができる。但し、本変形例の場合は、回復処理による低周波成分の除去を省いているため、回復処理を行う場合に比較して像がフレアのかかったものになる。
なお、上記変形例の装置には前記第２の実施の形態に適用した撮像光学系３１も適用可能であることは勿論である。
【０１００】
次に、前記第１の実施の形態の画像入力装置やその変形例等の画像入力装置に適用された加算処理回路や回復処理回路における処理動作について詳細に説明する。これらの処理動作については、前記日本国特許公報平成１−３０９４７８号の画像入力装置にも記載されているが、以下、図を用いて説明する。
図１５は、前記第１の実施の形態等にも適用可能である加算処理回路と回復処理回路とを内蔵し、撮像素子５２と一体化したＣＣＵ（カメラコントロールユニット）１０１の例を示すブロック構成図である。
【０１０１】
上記ＣＣＵ１０１には、被写体の像は、例えば、前記図１に示した撮像光学系１１によって、ＣＣＤ、撮像管等で構成される撮像素子５２の撮像面に結像される。
【０１０２】
前記撮像素子５２からの出力信号は、アナログ・デジタル変換回路（以下、Ａ／Ｄ変換回路と略称する）５３によりデジタル信号に変換される。上記ディジタル信号は、加算処理回路５４において、メモリ５５に記録されている画像信号と加算される。その加算結果は、再びメモり５５に記録される。
【０１０３】
なお、上述の処理動作は、例えば、図１に示したＶＣＭ１３によって可動ミラー２０を移動させながら繰返して行なわれる。すなわち、上記動作は、光学系の合焦点位置を、適当に設定した距離間隔および距離範囲で離散的に変えながら行なわれる。かくして、入力した各々の画像について加算が行われ、その結果が前記メモリ５５に記憶される。
【０１０４】
次に、前記加算された画像データは、回復処理回路５７により、適切な回復処理が行なわれる。例えば、空間周波数に対するハイパスフィルタリング処理、あるいは、バンドパスフィルタリング処理が行われる。上記の処理結果は、再び前記メモリ５５に格納される。
【０１０５】
前記メモリ５５内に格納されている回復処理を施した画像信号は、デジタル・アナログ変換回路（以下、Ｄ／Ａ変換回路と略称する）５８によってアナログ信号に変換され、図１に示したモニタ２７上に表示される。以上の動作におけるタイミングや信号の流れ等の制御は、コントローラ５１によって行われる。
【０１０６】
図１６は、回復処理回路を有し、加算処理回路を用いない、かつ、撮像素子５２が一体化したＣＣＵ１０２の例を示すブロック構成図である。
上記ＣＣＵ１０２において、前記撮像素子５２に蓄積された画像データは、Ａ／Ｄ変換回路５３により、デジタル信号に変換された後、メモリ５５に記録される。このときの画像データは、前記ＣＣＵ１０１で加算処理された画像データと同等のものである。次に、回復処理回路５７によって適切な回復フィルタリング処理が行われた後、再び、メモり５５に記録される。
【０１０７】
前記回復処理が施されて前記メモリ５５に記録された画像データは、Ｄ／Ａ変換回路５８によりアナログ信号に変換され、モニタ２７に表示される。以上の動作におけるタイミングやデータの流れ等の制御はコントローラ５１によって行われる。
【０１０８】
上記構成を有するＣＣＵ１０２によれば、撮像素子５２自身の光エネルギーの積算効果を利用し、連続的に焦点を変えた画像を入力すると同時に蓄積していくように処理される。したがって、画像の入力と加算とが撮像素子５２自身で同時に行われることになり、構成が非常に簡単化する上、高速に処理できる。また、適当な距離範囲にわたって焦点位置を連続的に変えれば良いことから、焦点位置の制御も簡単となる。
【０１０９】
次に、上記のＣＣＵ１０１，１０２の例で用いられる回復処理回路５７の具体例について説明する。上記回復処理回路５７は、前述したように合焦点位置の異なる画像データを加算した画像データに対し、空間周波数に対する適当なハイパスフィルタ、あるいは、バンドパスフィルタをかけるための処理を行う回路である。
【０１１０】
図１７は、上記回復処理回路５７の一つの具体例を示すブロック構成図である。この回復処理回路５７において、メモリ５５に格納されている合焦焦点位置の異なる画像データが加算された画像データは、回復処理回路５７内のＦＦＴ演算回路６０によって、２次元フーリエ変換が実行され、その結果は、メモリ６１に記録される。
【０１１１】
一方、メモリ６２内には空間周波数面上で適当に設計されたフィルタの係数が記録されている。前記メモリ６１に記録されている画像の空間周波数スペクトルと、上記メモリ６２に記録されているフィルタ係数との乗算が乗算回路６３において実行される。その結果は、再び前記メモリ６１に記録される。
【０１１２】
メモリ６１に記録されたフィルタリングを施された空間周波数画像データは、前記ＦＦＴ演算回路６０によって２次元逆フーリエ変換が実行され、その結果は前記メモリ５５に記録される。
上述のように構成された回復処理回路５７によれば、空間周波数面上でフィルタを任意の形状に設計できる。
【０１１３】
図１８は、回復処理回路の他の具体例の回復処理回路５７Ａを示すブロック構成図である。この例においては、メモリ５５に格納されている合焦点位置の異なる画像について加算された画像データのうち、回復処理回路５７Ａの内部に設けてあるアドレス発生回路７０によって指定された画素成分値が、乗算回路７２に入力される。
【０１１４】
同時に前記アドレス発生回路７０によって指定されたメモリ７１に記録されている係数が、前記乗算回路７２に入力され、両者間の乗算が実行される。この乗算回路７２における演算結果は、加算回路７３においてメモリ７４に記録されている値と加算され、その結果は、再びメモり７４に記録される。
【０１１５】
以上の構成により、画像内の３×３ピクセル，５×５ピクセルといった局所領域における「たたみ込み演算」が実行され、その結果は、再びメモり５５に記録される。
【０１１６】
本構成例は、フィルタリングを空間周波数面上で行う代わりに、画像面上で適切に設計されたマスクとの「たたみ込み演算」をすることにより回復処理を行うものであり、簡単な回路構成で処理を実現することができる。特に小さなマスクサイズで効果的なフィルタが設計可能な場合は、演算量も少なくなり有利となる。この他に、画面上でマスク処理を行う構成例としてパイプライン方式のプロセッサを用い、高速に処理を実行することも可能である。
【０１１７】
つぎに、回復処理回路に適用される回復フィルタの設計の方法について述べる。まず、シミュレーションにより上記回復フィルタを設計する方法について記載すると、一般にインコヒーレント結像光学系の空間周波数特性は、瞳関数の自己相関で表される Optical Transfer Function（以下、ＯＴＦと略す）で表現できる。円形開口を仮定した場合、焦点の合った面のＯＴＦは、（４）式で示される瞳関数によって、（５）式の自己相関で表現できる。
【０１１８】
【数１】
0004011704.tif 000002
【０１１９】
但し、（ｘ，ｙ）は、瞳面を直交座標で表した場合の座標軸であり、（ｒ，θ）は、円筒座標で表した場合の動径成分と角度成分である。また、ａ0 は、瞳の大きさを表し、例えば、レンズの絞りの半径を想定すれば良い。また、円形開口の場合、角度方向に無関係のため、θは、省略できる。
【０１２０】
次に、焦点はずれのＯＴＦは、（６）式に示す一般化された瞳関数の自己相関で表すことができる。すなわち、
0004011704.tif 000003
ここで、ｋ＝２π／λは、波数、また、Ｗ（ｒ；ｚ）は、波面収差であり、ある物体面に焦点が合うような光の波面Ｗ１と、焦点はずれの波面Ｗ２との瞳面上における差で表される。ｚは、光軸上の座標であり、焦点が合った位置をｚ＝０とし、どれだけ焦点位置からはずれているかを示す量である。
【０１２１】
上記波面収差Ｗ（ｒ；ｚ）は、近軸領域の近似であれば、略、
Ｗ（ｒ；ｚ）＝ｒ2・ｚ／（２・ｆ2）  ……（７）
で表され、レンズの開口が大きい場合は、
Ｗ（ｒ；ｚ）＝ｒ2・ｚ／｛２（ｆ2＋ｒ2）｝……（８）
で表される。但し、ｆは、レンズの焦点距離であり、ｆ>>ｚと仮定した。
【０１２２】
図１９は、以上の各値の幾何学的関係を示した図である。このようにして、ある焦点はずれ量ｚに対するＯＴＦを求めることができる。
【０１２３】
図２０、および、図２１（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、上記の如く求めたＯＴＦに基づいて、回復フィルタを求める操作手順を示す図である。
【０１２４】
まず、設定条件に基づいてｚを変えることにより、図２０に示すようなＯＴＦを求める。次に、これらのＯＴＦを加算することにより、図２１（Ａ）に示すような合成ＯＴＦを求める。そして、この加算された合成ＯＴＦが図２１（Ｂ）に示すように焦点が合っている場合のＯＴＦに回復されるように回復フィルタを設計する。  この回復フィルタは、合成されたＯＴＦをＨ（ｕ，ｖ）＝Ｈ（μ，φ）＝Ｈ（μ）とし、焦点の合っている場合のＯＴＦをＨ0（μ） とすると、回復フィルタＶ（μ）は、
Ｖ（μ）＝Ｈ0（μ）／Ｈ（μ）  ……（９）
で表される。図２１（Ｃ）は、上記Ｖ（μ）を示す。但し、（ｕ，ｖ）は、直交系で表した空間周波数座標であり、（μ，φ）は、円筒系で表した空間周波数座標である。円形開口の場合は角度方向に依存しないため、動径方向の空間周波数μのみで表現した。
【０１２５】
なお、被写体がある程度限定され、その画像の統計的な性質が予測でき、しかもノイズの性質も解っている場合には、回復フィルタとして次に示すようなウィナーフィルタを用いることができる。すなわち、
0004011704.tif 000004
但し、Ｓnn（μ）は、ノイズのパワースペクトルであり、Ｓgg（μ）は、画像のパワースペクトルである。
このウィナーフィルタを用いることにより、ノイズの影響を低減することが可能である。
【０１２６】
また、擬似的なウィナーフィルタとして、次式に示すように定義したフィルタを設定し、パラメータＰを適当に設定してもよい。すなわち、
0004011704.tif 000005
となる。
【０１２７】
続いて、実験的に回復フィルタを求める方法を説明する。表面が十分平坦であるテストチャートのようなものを所定位置に置き、この画像を設定した条件で合焦点位置を変えながら入力し、加え合せる。
【０１２８】
次に、前記テストチャートの表面に焦点の合った画像を入力する。そして、合焦点位置を変えながら入力し、かつ、加え合せた画像に対し、適当な回復フィルタをかけてみて、前記焦点の合った画像と比較する。この比較により画像が同等に見えるように回復フィルタを調整して再び比較する。このような操作を繰返すことにより、所要の回復フィルタを求める。本方法は、実用的に有効である。
【０１２９】
以上、シミュレーションと実験とによる回復フィルタの求め方について記載した。なお、回復フィルタは必ずしも焦点の合った場合の周波数特性まで戻せばよいというものではなく、例えば、高周波領域をより強調して「メリハリ」の効いた画像にしてもよいし、また、逆に完全には回復させずにソフトフォーカス効果の効いた画像にしてもよい。
【０１３０】
次に、本発明の第３の実施の形態の画像入力装置について説明する。
図２２は、上記画像入力装置のブロック構成図である。図２３は、本装置の撮影光学系の光路図であり、図２４は、本装置における被写体と撮像光学系と可動ミラーの関係を示す斜視図である。
【０１３１】
本実施の形態の画像入力装置は、被写界深度の深い画像を取り込み可能なクローズアップ撮像装置等に適用可能であって、主にカメラヘッド１０６と、カメラコントロールユニット（ＣＣＵ）２、および、モニタ２７で構成される。
【０１３２】
なお、上記ＣＣＵ２、および、モニタ２７は、前記図１で説明した第１の実施の形態の装置に適用したものと同様のものであり、同一の構成要素は、同一の符号を付して説明する。また、本装置により撮影される被写体３は、光軸Ｏ1 方向を軸Ｚとする３次元被写体とする。
【０１３３】
上記カメラヘッド１０６は、主に被写体光を取り込み、結像させる撮影光学系１０７と、撮像素子１２と、可動ミラー２０をＤ0 方向に振動駆動するボイスコイルモータ（ＶＣＭ）１３とで構成されている。
【０１３４】
以下、上記各構成要素について詳細に説明する。
上記撮影光学系１０７は、上記図２２、および、この光学系の光路図である図２３に示すように、結像レンズ１０８と、開口絞り１０９と、順次的に平行移動する平面鏡である可動ミラー２０と、平面鏡である固定ミラー１９とで構成されている。上記可動ミラー２０は、入射光光軸Ｏ1 に対して角度θMだけ傾斜して配置されている。また、上記撮影光学系１０７内でのミラー反射回数は偶数回になるように構成されており、撮像素子１２上の像を正立像としている。
【０１３５】
図２３の光路図に示すように開口絞り１０９は、結像レンズ１０８の物体側焦点Ｆ108 に位置しており、撮影光学系１０７は、像面に対してテレセントリック系となっている。
【０１３６】
撮影しようとする被写体３の近傍に設定した複数の物体面ＰW 上の物体１０３からの被写体光線は、入射光光軸Ｏ1 上の結像レンズ１０８で屈折し、可動ミラー２０で反射光光軸Ｏ2 方向に反射され、さらに、固定ミラー１９で反射されて撮像素子１２上に像１０５として結像する。
【０１３７】
なお、図２３等において、異なる位置にある物体面自体、および、その点像に対応してスラッシュと位置を示す添え字/1〜/3を付し、また、可動ミラー２０の各駆動位置Ｍ1 〜Ｍ3 にあるときの像にはハイフンと添え字-1〜-3を付して以下の説明を行う。
【０１３８】
可動ミラー２０が基準位置Ｍ2 にある場合は、物体１０３/1〜１０３/3から発した光は、像１０５/1-2〜１０５/3-2として結像する。そして、撮像素子１２上に合焦するのは、像１０５/2-2であり、像１０５/1-2および像１０５/3-2は、焦点ボケの像となる。
【０１３９】
次に、可動ミラー２０が結像レンズ１０８に接近し、位置Ｍ3 に到達すると、物体１０３/1〜１０３/3から発した光は、光軸方向にΔｚc だけずれて、像１０５/1-3〜１０５/3-3として結像する。撮像素子１２上に合焦するのは像１０５/3-3であり、像１０５/1-3および像１０５/2-3は、焦点ボケの像となる。さらに、反射光軸Ｏ2-3が、反射光軸Ｏ2-2に対して像平面方向にΔｘc だけずれるので、像全体１０５/1,2,3-3 も、像１０５/1,2,3-2 からΔｘc だけずれる。
【０１４０】
また、可動ミラー２０が結像レンズ１０８から離間し、位置Ｍ1 に到達すると、物体１０３/1〜１０３/3から発した光は、像１０５/1-1〜１０５/3-1として結像する。すなわち、撮像素子１２上に合焦するのは像１０５/1-1で、像１０５/2-1および像１０５/3-1は焦点ボケの像となる。さらに、反射光軸Ｏ2-1が、反射光軸Ｏ2-2に対して像平面方向にΔｘc だけずれるので、像全体１０５/1,2,3-1も像１０５/1,2,3-2からΔｘc だけずれる。
【０１４１】
上述のように本実施の形態の画像入力装置によると、可動ミラー２０のみを移動するだけで、撮像光学系の合焦位置を動かすことができる。その合焦位置の移動により図２４に示すように被写界深度の深い（図２４ではΔＺｂで示す）画像を取り込むことができる。
【０１４２】
上記画像入力装置における像の光軸方向のずれ量Δｚc と、像平面方向のずれ量Δｘc は、可動ミラーの移動距離ΔＺM とすると、
Δｘc ＝２・ΔＺM ・ｓｉｎθM   ……（１２）
Δｚc ＝２・ΔＺM ／ｃｏｓθM   ……（１３）
となる。
【０１４３】
一方、物体１０３/2〜１０３/3間の距離をΔＺW 、撮像光学系１０７の横倍率β107 とすると、像の光軸方向のずれ量Δｚc は、次式で示され、
Δｚc ＝β1072 ・ΔＺW   ……（１４）
となる。
【０１４４】
従って、式（１３），（１４）より、上記物体間の距離ΔＺW は、
ΔＺW ＝２・ΔＺM ／（ｃｏｓθM ・β1072 ）  ……（１５）
となる。式（１５）は、横倍率β107 が小さいほど、可動ミラー２０の僅かな動きでも物体側での大きな焦点移動が得られることを示している。この特性は、前記第１実施の形態の画像入力装置の場合と同様である。
【０１４５】
実際の撮影に際しては、図２３において被写体である物体１０３/1〜１０３/3の範囲の被写界深度を得るためには、可動ミラー２０が位置Ｍ1 、Ｍ2 、Ｍ3 にあるときに、上記各物体１０３/1，１０３/2，１０３/3の像が撮像素子１２上に合焦することから、可動ミラー２０は、少なくとも位置Ｍ2 を中心とする２・ΔＺM の両側振幅で振動させる必要がある。望ましくは、２・ΔＺM よりも大きな振幅、例えば、位置Ｍ2 を中心とする４・ΔＺM 以上の両側振幅で振動させるならば、好適である。
【０１４６】
以上のように構成された本実施の形態の画像入力装置の撮影動作について、上記図２２〜２４、および、図２５〜図３２を用いて説明する。なお、図２５は、可動ミラーの振動波形を示す図である。また、図２６〜３０は、各経過時間での被写体像の照度分布および点像の広がりのイメージを示した図である。図３１は、上記図２６〜３０で得られた被写体像の光量を加算した状態を示す図であり、図３２は、図３１で得られた加算データを回復処理して得られた被写体画像データの照度分布および広がりのイメージを示した図である。
【０１４７】
本実施の形態の画像入力装置において撮影を行う場合、撮影する被写体である物体１０３の近傍に複数の物体面ＰW を設定する。例えば、図２４に示すように設定物体面としてＰW1，ＰW2，ＰW3を設定する。そして、物体１０３の例として、物体面ＰW1，ＰW2，ＰW3上にある点光源被写体１０３/1，１０３/2，１０３/3を用いる。また、可動ミラー２０の振動波形は、図２５に示す正弦波であって、その移動位置Ｍ1 、Ｍ2 、Ｍ3 は、それぞれ点光源被写体１０３/1，１０３/2，１０３/3に合焦する位置とする。
【０１４８】
上述の状態でＶＣＭ１３を駆動し、可動ミラー２０を最大振幅Ｂc で振動させて、経過時間ｔ0 ，ｔ1 ，ｔ2 ，ｔ3 ，ｔ4 毎に撮像素子１２からの出力信号をＡ／Ｄ変換回路２２に取り込む。なお、上記経過時間ｔ0 ，ｔ1 ，ｔ2 ，ｔ3 ，ｔ4 にて可動ミラー２０は、位置Ｍ0 ，Ｍ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 ，Ｍ4 に位置する。
【０１４９】
図２６〜３０は、それぞれ経過時間ｔ0 〜ｔ4 にて可動ミラー２０が上記位置Ｍ0 ，Ｍ1 ，Ｍ2 ，Ｍ3 ，Ｍ4 にあるときの撮像素子１２上の各点像１０５のボケ具合の変化を示す像と、ｘ軸、および、ｙ軸に沿って示した照度分布Ｉtn（ｘ，ｙ）の経時変化を示したものである。
【０１５０】
経過時間ｔ＝ｔ0 においては、図２６に示すように像１０５/1-0〜１０５/3-0の全てがぼけていて、かつ、そのｘ座標は、
ｘ＝ｘ0 −２・Δｘc
である。
【０１５１】
経過時間ｔ＝ｔ1 においては、図２７に示すように像１０５/1-1が合焦し、像１０５/2-1、１０５/3-1はぼけている。また、ｘ座標は、
ｘ＝ｘ0 −Δｘc
となり、上記経過時間ｔ＝ｔ0 のときよりも＋方向にずれる。
【０１５２】
さらに、経過時間ｔ＝ｔ2 においては、図２８に示すように像１０５/2-2が合焦し、像１０５/1-2、１０５/3-2は、ぼけている。また、ｘ座標は、
ｘ＝ｘ0
であり、経過時間ｔ＝ｔ1 のときよりもさらに＋方向にずれる。
【０１５３】
経過時間ｔ3 においては、図２９に示すように像１０５/3-3が合焦しており、像１０５/1-3，１０５/2-3がぼけている。さらに、経過時間ｔ4 においては、図３０に示すようにすべての像１０５/1-4，１０５/2-4，１０５/3-4がぼけている。このようにして、経過時間ｔ0 〜ｔ4 の間に像１０５は、その結像位置（ｘ座標）とボケ具合が変化していく。
【０１５４】
続いて、上記照度分布Ｉt0（ｘ，ｙ）〜Ｉt4（ｘ，ｙ）の変化をもつ画像データが加算処理回路２３で加算処理される。図３１には、撮像素子１２面のｘ−ｙ平面上において加算された状態での分布と、ｘ，ｙ軸に関する照度分布ΣＩ（ｘ，ｙ）の画像データが示されている。なお、図３１の１０５/1，１０５/2，１０５/3は、加算画像である。この画像には、非合焦状態の被写体像信号による低周波の空間周波数成分も含まれている。
【０１５５】
次に、回復処理回路２４にて回復処理が行われる。図３２は、上記回復処理後の画像データのｘ軸，ｙ軸に関する強度分布Ｉ01（ｘ，ｙ）を示しており、被写体である物体１０３/1 ，１０３/2 ，１０３/3 の全てに合焦した被写界深度の深い画像１１７が得られることを示している。
【０１５６】
上記回復処理により得られた画像のうち、中心のｙ＝ｙ2 の位置の画像以外の画像１１７/1 ，１１７/3 にはボケ像成分１１７/1 ′，１１７/3 ′が残存するが、これは軽微であって実際的には支障はない。
なお、上記加算処理回路２３による加算処理と、回復処理回路２４による回復処理については、図３４〜３９を用いて後で詳細に説明する。
【０１５７】
前記第１の実施の形態の画像入力装置の場合、光路中に配設されるハーフミラーによって、光線の透過率が低下することが考えられる。しかし、本実施の形態の画像入力装置の場合は、ハーフミラーを用いないことから結像レンズ１０８に入射した光線を実質的な損失のない状態で撮像素子１２上に結像させることができる。従って、本実施の形態の方式では高感度の画像入力が可能である。
【０１５８】
また、本実施の形態の画像入力装置においては、中間結像を行わないので、フィールドレンズや第２結像レンズを必要とない。すなわち、結像光学系としては結像レンズ１０８のみで足りるので、構成部品点数を少なく、低コストで製作できるというメリットがある。
【０１５９】
次に、本発明の第４実施の形態の画像入力装置について説明する。
図３３は、本実施の形態の画像入力装置のカメラヘッド２０６のブロック構成図である。前記第３の実施の形態の装置の撮影光学系１０７に対して、本実施の形態の画像入力装置における撮影光学系２０７では、対物レンズと中間結像レンズの間に開口絞りを配設している点が異なり、対物レンズの作動距離を大きくとることができる。
【０１６０】
すなわち、本装置のカメラヘッド２０６に内蔵される撮影光学系２０７は、結像光学系として上述したように対物レンズ２０８と、偏心中間結像レンズ２０９と、最終段の結像レンズ２１０と、開口絞り２１１と、さらに、可動ミラー２０、および、ミラー１７により構成される。なお、カメラヘッド２０６に内蔵される他の構成要素であるＶＣＭ１２と撮像素子１２、また、本画像入力装置を構成するＣＣＵ２とモニタ２７等は、前記図１の第１の実施の形態の画像入力装置のものと同一のものとする。
【０１６１】
本実施の形態の画像入力装置においては、被写体３から発した光線は、対物レンズ２０８で屈折して略平行光線となり、開口絞り２１１を透過し、さらに、中間結像レンズ２０９で可動ミラー２０の反射面近傍に中間像を結像する。そして、可動ミラー２０の反射面で反射し、中間結像レンズ２０９で再び略平行光線に屈折され、ミラー１７で反射し、結像レンズ２１０で最終像を撮像素子１２上に結像する。ここで、開口絞り２１１は、中間結像レンズ２０９の物体側焦点Ｆ209 に位置しているので、中間結像レンズ２０９は、中間結像に対してテレセントリックである。
【０１６２】
本実施の形態の画像入力装置においても、ＶＣＭ１３を駆動して、焦点を移動した画像を複数枚取り込み、それらの画像を加算処理し、さらに、回復処理を施すことによって、被写界深度の深い画像を得るが、その処理過程は、前記第３の実施の形態の装置の場合と同様である。
【０１６３】
前記第３実施の形態の装置の場合は、撮影レンズ系として撮影レンズ１０８のみを用い、かつ、像に対してテレセントリックにするために、開口絞り１０９を撮影レンズ１０８と被写体３の間に置かなければならなかった。これに比べて、本実施の形態の装置においては、開口絞り２１１を対物レンズ２０８と中間結像レンズ２０９の間に位置させているので、被写体３に対する作動距離を、より大きくすることができる。
【０１６４】
なお、上述の第３および第４の実施の形態の画像入力装置における加算処理回路と回復処理回路の処理動作は、既に図１５，１６，１７等を用いて説明した第１の実施の形態の画像入力装置における処理動作と同様である。
そこで、上記第３および第４の実施の形態の実施の形態の装置における回復処理に適用される回復フィルタの設計方法を図３４〜３９等を用いて述べる。
【０１６５】
まず、加算像がどのような照度分布とパワースペクトルを有するかについて説明する。図３１に示した加算像１０５/2のボケパターンの拡大図を図３４に示す。ただし、ここでは、可動ミラー２０の変位が±ΔＺM となる範囲の積算画像であるとして説明するが、積算範囲がより大きい場合であっても、以下の手法を同様に適用することができる。
【０１６６】
加算像１０５/2は、図３４に示すように８の字型になる。ミラーの変位が±ΔＺM となる、つまり、円形のボケ径が最大となる場合のボケ半径ｒc は、結像側開口数をＮＡとすると、式（１３）を用いて次のようになる。すなわち、
0004011704.tif 000006
となる。
【０１６７】
ここで、像の中心を原点とする極座標系（ｒ，θimg ）を適用すると、ボケ直径が最大になるのはθimg ＝０の場合で、そのボケ幅の値ａは、
0004011704.tif 000007
となる。
【０１６８】
また、ボケ直径が最小になるのは角度θimg ＝π／２の場合で、その最少幅の値ｂはエアリ・ディスク径となり、波長をλとすると、
ｂ＝１．２２λ／ＮＡ  ……（１８）
となる。
【０１６９】
ボケ径が大きく変化する角度θimg の値をθc とすると、角度θc は、
θc ＝ｓｉｎ-1（ＮＡ／（ｃｏｓθM ・ｓｉｎθM ））……（１９）
となる。なお、θimg ＝θc におけるボケ直径は、２ｒc である。
【０１７０】
ボケ径は、０≦θimg ≦θc の範囲で徐々に減少し、θimg がθc を越えると大幅に減少し、θc ＜θimg ≦π／２の範囲で再度徐々に減少する。この様子を、ｒ方向の照度分布として表したのが、図３５のΣＩ（ｒ，θimg ）である。図３５より、角度θimg ＝０において、ボケが大きく広がり、角度θimg ＝π／２においてはボケが全くないことがわかる。これらの曲線は、本光学系固有の点像分布関数を表している。
【０１７１】
これらの点像分布関数をフーリエ変換すると、図３６のようなパワースペクトル曲線Ｈ（μ，θimg ）が得られる。これらは本撮影光学系のコントラスト、すなわち、光学的伝達関数（ＯＴＦ）を表していることに他ならない。図３６より明らかなように、角度θimg ＝π／２においては理想的な合焦像と同様の伝達関数を有するが、角度範囲０°≦θimg ＜π／２においては、コントラストが低下している。これらの低下したコントラストを、回復処理によって補えば、角度θimg の値と無関係に理想的なコントラストが得られる。
【０１７２】
理想的には、回復フィルタのゲイン特性Ｖ１（μ，θimg ）を、
Ｖ1 （μ，θimg ）＝Ｈ（μ，π／２）／Ｈ（μ，θimg ）  ……（２０）
とすれば、回復処理の演算式の、
Ｈ01（μ，θimg ）＝Ｈ（μ，θimg ）×Ｖ1 （μ，θimg ）……（２１）
によって、理想的に回復されたＯＴＦ特性Ｈ01（μ，θimg ）が得られる。これによって得られる画像の照度分布Ｉ01（ｒ，θimg ）からはボケが取り除かれ、焦点の合った画像となる。ただし、図３２の１１７/1，１１７/3に示したように、被写体距離によっては、ボケ１１７/1′，１１７/3′は完全に除かれない。これは、図３１の１０５/1，１０５/2，１０５/3を比べれば明らかなように、被写体距離によって加算画像上のボケが部分的に大きくなり、その部分が回復フィルターによっても取り除かれないことを示している。しかし、実際上、そのようなボケは、信号レベル自体が極めて低いので、画質への影響は軽微である。
【０１７３】
ここで、改めて照度分布ΣＩ（ｒ，θimg ）とスペクトルＨ（μ，θimg ）の特性を見ると、角度θimg がθc を越える時には大幅に変化するが、０≦θimg ≦θc およびθc ＜θimg ≦π／２の範囲では、変化が少ないことがわかる。
【０１７４】
そこで、回復フィルタのゲイン特性Ｖ2 （μ，θimg ）を、簡略的に、
Ｖ2 （μ，θimg ）＝１    （θc ＜θimg ≦π／２の範囲）……（２２）
Ｖ2 （μ，θimg ）＝Ｈ（μ，π／２）／Ｈ（μ，θc ）（０≦θimg ≦θc の範囲）……（２３）
とすると、そのパワースペクトルは図３７のようになる。上記特性Ｖ2 を用い、同様の回復処理演算として、
Ｈ02（μ，θimg ）＝Ｈ（μ，θimg ）×Ｖ2 （μ，θimg ）……（２４）
を行うと、回復されたＯＴＦのＨ02（μ，θimg ）は、図３８のようになる。この場合、θimg ＝π／２，θc においては理想的に回復されるが、それ以外の条件では、僅かにＯＴＦが低下する（図３８では、代表値としてθimg ＝０の場合を示している）。
【０１７５】
こうして得られる画像の照度分布Ｉ02（ｒ，θimg ）は、図３９のようになる。すなわち、角度θimg ＝π／２，θc においては、理想的な点像分布となり、それ以外の条件、例えば、角度θimg ＝０の場合では、若干のボケの成分が残存することになるが、実際的にはこの程度の簡略化した回復フィルターであっても、充分な画質が得られる。
【０１７６】
上記回復フィルターの設計作業には、加算画像のパワースペクトルＨ（μ，θimg ）のデータが必要である。そのためには、まず、光学系結像シュミレーション・ソフトにより、実際の光学系での点像分布関数ΣＩ（ｒ，θimg ）を求め、これに２次元フーリエ変換処理を施すことで求めることができる。もちろん、このような計算的手法ではなく、実際の装置において、テストチャート等を撮影し、回復処理を試みながら、回復フィルタを求める手法も有効である。
【０１７７】
次に、本発明の第５実施の形態の画像入力装置について説明する。
本実施の形態の画像入力装置は、前記図１に示す第１実施の形態の装置のカメラヘッド１に対して図４０のブロック構成図に示すカメラヘッド３０６を適用するものであって、ＶＣＭ１３と可動ミラー２０を用いず、複数枚の固定ミラー群を用いた撮影光学系を適用するものである。そして、本実施の形態装置では電気回路による加算処理を必要とせず、また、ＶＣＭを必要としないことから図１に示したＣＣＵ２中の加算処理回路２３とＶＣＭドライバ２５は不要となる。上述の構成以外は、前記図１に示した第１の実施の形態の装置のものと同一とする。
【０１７８】
本実施の形態の画像入力装置のカメラヘッド３０６は、撮影光学系３０７と撮像素子１２で構成される。そして、上記撮影光学系３０７は、結像光学系として対物レンズ３０８と、中間結像レンズ３０９と、最終段の結像レンズ３１０と、開口絞り３１１と、ミラー群３１２と、ハーフミラー１５とにより構成される。
【０１７９】
上記ミラー群３１２は、最後方部に配設される１枚の全反射ミラーＨＭ1 と、上記ＨＭ1 の前に配設される３枚のハーフミラーＨＭ2 ，ＨＭ3 ，ＨＭ4 よりなる。それらミラーＨＭ1 ，ＨＭ2 ，ＨＭ3 ，ＨＭ4 は、互いに平行、かつ、間隔ΔＺHMで撮影光学系３０７の本体に固定して配置されており、ＶＣＭ等で振動駆動する必要はない。また、上記開口絞り３１１は、中間結像レンズ３０９の物体側焦点Ｆ３０９に位置しているので、中間結像レンズ３０９は、中間結像に対してテレセントリックである。
【０１８０】
さらに、本実施の形態の画像入力装置においては、前記第３，４実施の形態の装置のように時系列的な焦点移動画像を取り込むのではなく、ミラー群３１２により同時的に焦点移動画像が撮像素子１２上に結像される。その像はすでに焦点移動がなされ、しかも、加算された像であって、前記図１０に示す画像に相当する像である。したがって、図１のＣＣＵ２の加算処理回路２３が不要となる。
【０１８１】
本実施の形態の装置においては、上述のようにＶＣＭと加算処理回路を必要としないが、それはミラー群３１２の働きによる。そのミラー群３１２の作用について、以下、説明する。
図４０のミラー群における光線の反射状態を示す図において、被写体３から発した光線は、対物レンズ３０８で屈折して略平行光線となり、絞り開口３１１とハーフミラー１５を透過し、さらに、中間結像レンズ３０９によりミラー群３１２中のハーフミラーＨＭ2 の近傍に中間像が結像する。そして、ミラー群３１２の各反射面で反射された光線は、中間結像レンズ３０９で再び略平行光線となってハーフミラー１５で反射し、結像レンズ３１０により撮像素子１２上に最終像が結像される。
【０１８２】
ミラー群３１２に入射した光線は、ハーフミラーＨＭ4 ，ＨＭ3 ，ＨＭ2 では一部の光線が透過し、一部が反射される。全反射ミラーＨＭ1 では全てが反射される。図４１は、ミラー群３１２における光線の反射の様子をより詳細に示した図である。上記各反射光を、反射した面に対応して反射光Ｌｒ1 ，Ｌｒ2 ，Ｌｒ3 ，Ｌｒ4 と呼ぶとすると、反射光Ｌｒn と反射光Ｌｒn+1 との間には距離２・ΔＺHMの光路差が生じ、反射光Ｌｒ1 と反射光Ｌｒ4 の間には距離６・ΔＺHMの光路差を生じることになる。
【０１８３】
上記各反射光により得られた最終像は、例えば、前記第１の実施の形態の装置の場合であればＶＣＭ１３を振幅±３・ΔＺHMの範囲だけ振動駆動して得た画像を積算した画像と同様のものになる。従って、撮像素子１２からの出力信号をＡ／Ｄ変換し、加算処理することなく回復処理を施せば、被写界深度の深い画像が得られる。
【０１８４】
なお、本実施の形態の装置においては、ミラー群３１２の全反射ミラーＨＭ1 およびハーフミラーＨＭ2 ，ＨＭ3 ，ＨＭ4 の反射率を最適化することと、間隔ΔＺHMの値を最適化することが必要である。まず、反射率の最適化について、以下に説明する。
【０１８５】
図４１の本装置のように１枚の全反射ミラーと３枚（あるいは、任意の枚数ｋ枚の場合でも同様）のハーフミラーを重ねた場合、各反射面で反射した光線の強度が互いに等しいことが望ましい。したがって、まずはミラー群３１２の内部で１回だけ反射して射出する光線の各ミラー面に対応する強度に着目し、各光線の強度を等しくすることが望ましい。すなわち、
Ｌｒ1 ＝Ｌｒ2 ＝Ｌｒ3 ＝…＝Ｌｒn ＝Ｌｒn+1 ＝…＝Ｌｒk ……（２５）
を満たすことが望ましい。
【０１８６】
式（２５）を満たすためには、第ｎ反射面の反射率をＲn とし、第（ｎ＋１）反射面の反射率をＲn+1 とすると、次式の関係を満足する必要がある。
【０１８７】
Ｒn+1 ＝（１−Ｒn+1 ）2 ・Ｒn   ……（２６）
従って、
【数２】
0004011704.tif 000008
となる。上記式（２７）に基づいて、各ミラーＨＭ1 ，ＨＭ2 ，ＨＭ3 ，ＨＭ4 の反射率および値（１−Ｒn ）で示される透過率を求めた結果を表１に示す。
【０１８８】
【表１】
0004011704.tif 000009
【０１８９】
ところで、ミラー群３１２からの射出光線の反射回数は、１回とは限らない。図４２，４３の反射状態図に一例を示すように、３回反射する射出光の反射モードも多数存在する。そのときの反射面は、複数のハーフミラーによるそれぞれの反射面を含んで構成されることによりその位置が同時的に複数異なって設定される。その同時的に複数異なって設定される反射面のうち少なくとも一のものは、上記複数のハーフミラーの当該入射面への入射光線が上記複数のハーフミラー中を透過および反射する過程で順次３回以上反射して結果的に上記入射面から当該射出光線として射出するときの上記入射光線と射出光線との関係から規定される一の実効的な反射面である仮想反射面である
その場合、図４２，４３に示すように全反射ミラーＨＭ1で１回反射した光路よりもさらに長い光路を経ることになる。この３回反射光の射出光線中の比率を計算し、１回反射光と合わせて示したのが図４４である。図中の仮想反射面ＨＭ0 ，ＨＭ-1，ＨＭ-2 は、例えば図４２，４３に示すような仮想的反射面であり、全反射ミラーＨＭ1 での反射よりもさらに光路が長くなる。
【０１９０】
上記仮想反射面ＨＭ0 での反射率は、図４４に示すように１回反射光の６割程度の強度を有し、十分に結像作用に寄与する。したがって、本実施の形態の装置においては、中間像位置として、ミラー群のミラーＨＭ2 位置を中心位置として仮想反射面ＨＭ0 からハーフミラーＨＭ4 までの±２ΔＺHMの範囲だけミラー駆動させて得られた画像を積算した場合とほぼ同等の加算画像が得られる。この場合、光線Ｌｒ0 と光線Ｌｒ4 の間には距離８・ΔＺHMの光路差を生じることになる。
【０１９１】
上述のように本実施の形態の装置においては、加算処理回路、ＶＣＭ、ＶＣＭドライバを必要とせず、かつ、機械的な駆動を必要としないので、深い被写界深度で撮影できる画像入力装置の低コスト化と小型化が可能となり、装置として高い信頼性のものを実現できる。
【０１９２】
また、高倍率の顕微鏡等でこの種の装置を実現するためには、中間結像面において、すでに十分に拡大されていることが、光学的な収差補正上、有利である。しかし、その場合、焦点移動のために中間結像面のミラーに与えるべき変位量が、大きくなってしまう。このような場合は、ＶＣＭ等でミラーを振動させるよりも、本実施の形態の複数枚のミラーを配置する方式を採用した方が有利となる。本実施の形態の装置の方式ならば、大きな振動変位を与えることなく、ミラー間隔ΔＺHMの値を大きくして全反射ミラーおよびハーフミラーを撮影光学系本体に固定するだけでよいので、極めて簡単な構成で実現できる。また、振動による画像ブレも生じない。
【０１９３】
さらに、本実施の形態の画像入力装置においては、ミラー群３１２を構成するハーフミラーの数を増減して、被写界深度の拡大幅を任意に選ぶことは容易に可能である。また、前記図３３に示した第４実施の形態の画像入力装置におけるＶＣＭ１３，可動ミラー２０、および、ＶＣＭドライバ２５をミラー群３１２に置き換えることも有効である。
【０１９４】
次に、本発明の第６実施の形態の画像入力装置について説明する。
本実施の形態の画像入力装置は、１つの結像光学系を用いるものであって、平面鏡を振動駆動し、その反射面が光軸に対して直交していることを特徴とするものである。
【０１９５】
図４５は、本実施の形態の画像入力装置を構成するカメラヘッド４０６のブロック構成図を示す。なお、本画像入力装置を構成するカメラヘッド４０６以外のＣＣＵ，モニタ等は、前記第１の実施の形態の装置で適用したものと同一とする。
【０１９６】
図４５に示すように、本画像入力装置のカメラヘッド４０６は、主に撮影光学系４０７と、ＶＣＭ１３と、撮像素子１２とで構成される。ＶＣＭ１３と、撮像素子１２とは、前記第１の実施の形態の装置で適用したものと同一とする。
【０１９７】
上記カメラヘッド４０６においては、被写体３から発した光線が撮影光学系４０７に取り込まれて、対物レンズ４０８と開口絞り４１１と結像レンズ４０９とハーフミラー１５とを透過する。その透過光は、ＶＣＭ１３によってＤ0 方向に振動駆動される平面鏡の可動ミラー２０にて反射され、さらに、ハーフミラー１５で反射され、撮像素子１２上に結像する。
【０１９８】
上記開口絞り４１１は、結像レンズ４０９の焦点Ｆ409 に位置すると同時に、対物レンズ４０８の焦点Ｆ408 に位置しているので、撮影光学系４０７は、物体側と像側の双方に対してテレセントリックである両側テレセントリック光学系を形成している。したがって、開口絞り４１１の中心を通る主光線Ｌ1 は物体側でも光軸Ｏと平行な光線Ｌ0 であり、像側でも光軸Ｏと平行な光線Ｌ2 となる。
【０１９９】
上記撮像素子１２を介して取り込まれた焦点移動した像の加算処理および回復処理は、既に図１５，１６，１７等を用いて説明した第１の実施の形態の画像入力装置における処理動作と同様である。
【０２００】
上述したように本実施の形態の画像入力装置は、前記第１の実施の形態の装置では結像光学系として２つの光学系を用いるのに対して１つの結像光学系のみを適用するものであって、中間結像を行わず、１回目の結像を直接撮像素子１２上に結像させている。したがって、占有スペ−スも少なくなり、コスト上も有利になる。また、光学的にも光学系の収差を少なく抑えることができる。また、光学系が物体側でもテレセントリックであるので撮影画像により被写体の寸法を測定するような測定器としての応用に適している。
【０２０１】
なお、用途によっては、光学系が物体側でテレセントリックである必要のない場合もあり、そのような場合は、像側のみのテレセントリック光学系を用いればよい。
【０２０２】
次に、上記第６の実施の形態の画像入力装置の変形例について説明する。
図４６は、上記変形例における撮影光学系５０７の結像レンズ４０９以降の構成を示す図である。本変形例の装置の撮影光学系５０７においては、可動ミラー２０に替えてミラー群３１２を適用する。上記ミラー群３１２は、前記図４０に示した第５実施の形態の装置に適用したミラー群３１２と同様のミラーであり、１枚の全反射ミラーＨＭ１と、３枚のハーフミラーＨＭ２，ＨＭ３，ＨＭ４で構成される。
【０２０３】
以上のように構成された本変形例の画像入力装置によれば、前記第６の実施の形態の画像入力装置の効果に加えて、さらに、ミラーの振動駆動部を必要としないので、振動によるブレをなくすことができる。また、ＶＣＭ，ＶＣＭドライバ，加算処理回路等が不要であり、構造をシンプルにすることができ、装置の信頼性も向上させることができる。
【０２０４】
【発明の効果】
上述のように本発明の請求項１記載の画像入力装置によれば、光学系が焦点調整手段を持っていなくとも撮像面に結像する物体面を光軸方向に動かすことができ、被写界深度の浅い光学系を用いたとしても、光軸方向における被写体の様々な像を容易に撮像することができる。また、ミラーを移動させることによって、従来のレンズを移動させる構造よりも高速な物体面の移動が可能となる。また、ミラーを往復運動させると連続的に被写体像を取り込むことができ、また、上記往復運動の変位幅の中心を中間像面と同じにすると、光学系の性能を最大限に発揮でき、例えば、収差を抑えることができる。さらに、ハーフミラーを用いることによって、上記ミラーを光軸上に直交する一枚のミラーで構成することができ、装置の低価格化と軽量化が実現できる。
【０２０５】
本発明の請求項２記載の画像入力装置によれば、請求項１に記載の画像入力装置の効果に加えて、何れかの光学系をテレセントリックにすることによって、最終像の倍率をかえることなく、ミラーの位置の変化に伴い、物体面位置を光軸方向に動かことができ、これにより、各物体面における被写体の高精度に回復処理された像を撮像することができる。
【０２０６】
本発明の請求項３記載の画像入力装置によれば、請求項２に記載の画像入力装置の効果に加えて、さらに中間像に対するテレセントリック系を保ったまま、最終像面の結像させる被写体の像倍率を変化させることができ、倍率変化が要求される顕微鏡等にも応用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態である画像入力装置のブロック構成図。
【図２】図１の画像入力装置に適用される撮像光学系の光路図。
【図３】図２の光路図において、ミラー部を展開して示した等価的な光路展開図。
【図４】図１の画像入力装置に適用されるＶＣＭの構造を示す要部断面図。
【図５】図１の画像入力装置における被写体と撮像光学系と可動ミラーの関係を示す図。
【図６】図１の画像入力装置に適用される可動ミラーの振動波形を示す図。
【図７】図１の画像入力装置において、ある経過時間での被写体像の照度分布をｘ軸に対して示した図。
【図８】図１の画像入力装置において、次の経過時間での被写体像の照度分布をｘ軸に対して示した図。
【図９】図１の画像入力装置において、さらに、次の経過時間での被写体像の照度分布をｘ軸に対して示した図。
【図１０】図７，図８，図９で得られた被写体像の照度分布値を加算したデータを示す図。
【図１１】図１０で得られた加算データを回復処理を施して得られた被写体画像データを強度分布で示す図。
【図１２】本発明の第２の実施の形態の画像入力装置に適用される撮像光学系の構成図。
【図１３】上記第１の実施の形態の画像入力装置の第１の変形例のブロック構成図。
【図１４】上記第１の実施の形態の画像入力装置の第２の変形例のブロック構成図。
【図１５】上記第１の実施の形態の装置等にも適用可能である加算処理回路と回復処理回路とを内蔵したＣＣＵの例を示すブロック構成を示す図。
【図１６】上記第１の実施の形態の第１の変形例にも適用可能な回復処理回路を有するＣＣＵの例を示すブロック構成を示す図。
【図１７】図１５の回復処理回路の一つの具体例を示すブロック構成図。
【図１８】図１５の回復処理回路の他の具体例を示すブロック構成図。
【図１９】図１５の回復処理回路における回復フィルタの設計手順を示す図であって、光軸方向距離に対する波面を示す図。
【図２０】図１５の回復処理回路における回復フィルタの設計手順を示す図であって、空間周波数に対するＯＴＦを示す。
【図２１】図１５の回復処理回路における回復フィルタの設計手順を示す図であって、（Ａ）は、合成ＯＴＦを示し、（Ｂ）は、焦点が合っている場合のＯＴＦを示し、（Ｃ）は、回復フィルタのＯＴＦを示す。
【図２２】本発明の第３の実施の形態の画像入力装置のブロック構成図。
【図２３】図２２の画像入力装置の撮影光学系の光路図。
【図２４】図２２の画像入力装置における被写体と撮像光学系と可動ミラーの関係を示す斜視図。
【図２５】図２２の画像入力装置の可動ミラーの振動波形を示す図。
【図２６】図２２の画像入力装置における経過時間ｔ0 での被写体像の照度分布および点像の広がりのイメージを示す図。
【図２７】図２２の画像入力装置における経過時間ｔ1 での被写体像の照度分布および点像の広がりのイメージを示す図。
【図２８】図２２の画像入力装置における経過時間ｔ2 での被写体像の照度分布および点像の広がりのイメージを示す図。
【図２９】図２２の画像入力装置における経過時間ｔ3 での被写体像の照度分布および点像の広がりのイメージを示す図。
【図３０】図２２の画像入力装置における経過時間ｔ4 での被写体像の照度分布および点像の広がりのイメージを示す図。
【図３１】図２２の画像入力装置において、図２６〜３０で得られた被写体像の光量を加算した状態での被写体像の照度分布および点像の広がりのイメージを示す図。
【図３２】図２２の画像入力装置において、図３１で得られた加算データを回復処理して得られた被写体画像データの照度分布および広がりのイメージを示す図。
【図３３】本発明の第４の実施の形態の画像入力装置におけるカメラヘッドのブロック構成図。
【図３４】図２２の画像入力装置における図３１の加算像のボケパターンの拡大図。
【図３５】図２２の画像入力装置における図３１の加算像のｒ方向の照度分布を示す図。
【図３６】図２２の画像入力装置における図３１の加算像のパワースペクトル曲線を示す図。
【図３７】図２２の画像入力装置における回復フィルタのパワースペクトルを示す図。
【図３８】図２２の画像入力装置において回復処理された回復画像のＯＴＦを示す図。
【図３９】図２２の画像入力装置において回復処理された回復画像の照度分布を示す図。
【図４０】本発明の第５の実施の形態の画像入力装置のカメラヘッドのブロック構成図。
【図４１】図４０の画像入力装置のミラー群による光線の反射状態を示す図。
【図４２】図４０の画像入力装置のミラー群による光線の３回反射の一例の反射状態を示す図。
【図４３】図４０の画像入力装置のミラー群による光線の３回反射の他の一例の反射状態を示す図。
【図４４】図４０の画像入力装置におけるミラー群の各ミラーの反射光の射出光線中の比率を示す図。
【図４５】本発明の第６の実施の形態の画像入力装置のカメラヘッドの構成を示す図。
【図４６】図４５の画像入力装置の変形例の撮影光学系の結像レンズ以降の構成を示す図。
【符号の説明】
３，３/1〜３/3……被写体
４，４/1〜４/3……中間像
５，５/1〜５/3……最終像，被写体像
１１ａ，３１ａ……第１の光学系
（第１の部分の光学系，光学系）
１１ｂ，３１ｂ……第２の光学系
（第２の部分の光学系，光学系）
１２，１２′，５２……撮像素子（撮像装置）
１３……ＶＣＭ（ミラー駆動手段）
２０……可動ミラー（振動的に変位する平面鏡）
２３，５４……加算回路
（被写界深度調整要素，加算要素）
２４，５７……回復処理回路
（被写界深度調整要素，回復処理要素）
３２……可動ダハミラー（振動的に変位する平面鏡）
１０３，１０３/1〜１０３/3
……物体（被写体）
１０５，１０５/1-1〜１０５/3-3
……像（最終像，被写体像）
１０８……結像レンズ（光学系）
２０８，３０８，４０８……対物レンズ（光学系）
２０９，３０９……中間結像レンズ（光学系）
２１０，３１０，４０９……結像レンズ（光学系）
３１２……ミラー群（複数のハーフミラー）
ＨＭ2 ，ＨＭ3 ，ＨＭ4 ……ハーフミラー（複数のハーフミラー）
ＨＭ0 ，ＨＭ-1，ＨＭ-2……仮想反射面
【図１】
0004011704.tif 000010
【図２】
0004011704.tif 000011
【図３】
0004011704.tif 000012
【図４】
0004011704.tif 000013
【図５】
0004011704.tif 000014
【図６】
0004011704.tif 000015
【図７】
0004011704.tif 000016
【図８】
0004011704.tif 000017
【図９】
0004011704.tif 000018
【図１０】
0004011704.tif 000019
【図１１】
0004011704.tif 000020
【図１２】
0004011704.tif 000021
【図１３】
0004011704.tif 000022
【図１４】
0004011704.tif 000023
【図１５】
0004011704.tif 000024
【図１６】
0004011704.tif 000025
【図１７】
0004011704.tif 000026
【図１８】
0004011704.tif 000027
【図１９】
0004011704.tif 000028
【図２０】
0004011704.tif 000029
【図２１】
0004011704.tif 000030
【図２２】
0004011704.tif 000031
【図２３】
0004011704.tif 000032
【図２４】
0004011704.tif 000033
【図２５】
0004011704.tif 000034
【図２６】
0004011704.tif 000035
【図２７】
0004011704.tif 000036
【図２８】
0004011704.tif 000037
【図２９】
0004011704.tif 000038
【図３０】
0004011704.tif 000039
【図３１】
0004011704.tif 000040
【図３２】
0004011704.tif 000041
【図３３】
0004011704.tif 000042
【図３４】
0004011704.tif 000043
【図３５】
0004011704.tif 000044
【図３６】
0004011704.tif 000045
【図３７】
0004011704.tif 000046
【図３８】
0004011704.tif 000047
【図３９】
0004011704.tif 000048
【図４０】
0004011704.tif 000049
【図４１】
0004011704.tif 000050
【図４２】
0004011704.tif 000051
【図４３】
0004011704.tif 000052
【図４４】
0004011704.tif 000053
【図４５】
0004011704.tif 000054
【図４６】
0004011704.tif 000055