(57)【要約】【課題】従来、位相変調素子をズーム光学系に適用すると、ズーム状態毎に適切な付加位相を設定することができないという問題があった。また、位相変調パターンが可変である素子を用いると、電気的な配線の引き回しが必要となり撮像システムのサイズが大きくなるという問題や、複雑な構成の部品を使用するため製造コストが上昇してしまうという問題があった。【解決手段】上記課題を解決するために、ズーム機能を有する撮像装置であって、点像の光軸方向の変化を小さくする機能を有する位相変調素子を少なくとも二つ設けた構成とする。これにより、小型で安価な構成のズーム機能を有する撮像装置であって、少なくとも２つのズーム状態においてそれぞれ所望の焦点深度拡大効果を得ることができる。【選択図】図１
2016133517.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ズーム機能を有する撮像装置であって、
点像の光軸方向の変化を小さくする機能を有する位相変調素子を少なくとも二つ設けたことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像装置であって、
前記位相変調素子の一つが光軸に平行に入射する光束の大きさを広角端において制限する部品の近傍に配置されていることを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
請求項１または２のいずれか１項に記載の撮像装置であって、
前記位相変調素子の一つが光軸に平行に入射する光束の大きさを望遠端において制限する部品の近傍に配置されていることを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の撮像装置であって、
前記位相変調素子の少なくとも一つが三次関数の成分を有する面形状であることを特徴とする撮像装置。
【請求項５】
請求項１から３のいずれか１項に記載の撮像装置であって、
前記位相変調素子の少なくとも一つが輪帯構造からなる面形状であることを特徴とする撮像装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の撮像装置と撮像素子が一体となったことを特徴とするレンズモジュール。
【請求項７】
請求項１から５のいずれか１項に記載の撮像装置からの被写体像をアナログ信号に変換する撮像素子と、
該撮像素子からのアナログ信号をデジタル信号に変換して前記被写体像に対応した画像データを生成する画像生成部と、
前記画像生成部からの画像データの信号処理を行う信号処理部と
を有することを特徴とする撮像システム。
【請求項８】
請求項７に記載の撮像システムであって、
前記信号処理部は、前記位相変調素子の位相変調に起因する被写体像のボケを除去するための補正処理を行うことを特徴とする撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ズーム機能を有する撮像装置及びそれを用いたレンズモジュールと撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野の背景技術として、例えば米国特許第５，７４８，３７１号公報（特許文献１）に記載のものが知られている。特許文献１には、光に位相を付加する位相変調素子を光学系の中に配置して、点像および光学伝達関数（ＯＴＦ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）について、被写体の合焦位置からある距離の範囲内で通常より変化を小さくする機能、すなわち、点像の光軸方向の変化を小さくする機能を有する位相変調素子を有すること、そして、位相変調素子で変調したＯＴＦに起因する変調中間画像を信号処理し、位相変調素子による変調分を取り除くことにより再生画像を生成し、その結果として焦点深度を拡大する技術が開示されている。
【０００３】
また、特開２００８−２６８９３７号公報（特許文献２）には、ズーム機能を有する光学系に上記特許文献１の技術を適用する例が示されている。すなわち、位相変調素子は位相変調のパターンが可変であり、ズーム状態に応じた的確なパターンに切り替える技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５，７４８，３７１号公報
【特許文献２】特開２００８−２６８９３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１の技術においては位相変調素子の付加位相を大きくすることにより点像の変化の小さい範囲（略不感範囲）を大きく設定することができる。しかし、略不感範囲を大きくするとそれに従い、点像の変化が相対的に大きくなり再生画像を劣化させてしまうという問題や、信号処理時のノイズ増幅効果が増大し再生画像を劣化させてしまうという問題があり、付加位相が大き過ぎる場合には結果的に焦点深度拡大効果は却って減少してしまう。よって、所望の焦点深度拡大効果を得るためには付加位相を適切に設定する必要がある。しかし、上記特許文献１の技術をそのままズーム光学系に適用すると、ズーム状態毎に適切な付加位相を設定することができないという問題があった。
【０００６】
また、上記特許文献２のように位相変調パターンが可変である素子を用いると、ズーム状態毎に的確な付加位相を設定することはできるが、電気的な配線の引き回しが必要となり撮像システムのサイズが大きくなるという問題や、複雑な構成の部品を使用するため製造コストが上昇してしまうという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。本発明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、ズーム機能を有する撮像装置であって、点像の光軸方向の変化を小さくする機能を有する位相変調素子を少なくとも二つ設けた構成とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の光学系によれば、小型で安価な構成のズーム機能を有する撮像装置であって、少なくとも２つのズーム状態においてそれぞれ所望の焦点深度拡大効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１の撮像システムの構成例を示す図である。
【図２】実施例１における位相変調素子の形状の例を示す図である。
【図３】実施例１の光学系の例を示す図である。
【図４】実施例２における発明の効果を説明するための第一の構成での瞳面上位相を示す図である。
【図５】実施例２における第一の構成での焦点深度拡大効果を示す図である。
【図６】実施例３における発明の効果を説明するための第二の構成での瞳面上位相を示す図である。
【図７】実施例３における第二の構成での焦点深度拡大効果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１１】
まず、図１を用いて本実施例の撮像システム全体の構成を説明する。撮像システム１０１は、光学系１０、撮像素子８、画像生成部２０、レンズ位置制御部２１、画像処理部２３、画像補正用変数格納部２４、出力部２５等を備える。光学系１０は、撮像装置であり、第一レンズ群１及び第二レンズ群２、第三レンズ群３、第四レンズ群４、開口５、第一の位相変調素子６を備える。また、第一レンズ群１には第二の位相変調素子７が含まれている。
【００１２】
第二レンズ群２および第４レンズ群４は可動式であり、第二レンズ群２はズームレンズとして機能し、第四レンズ群４はフォーカスレンズとして機能する。第二および第四レンズ群の位置はレンズ位置制御部２１からの信号により制御される。レンズ位置制御部２１はレンズ位置決定部２２からの入力信号によりレンズ位置を制御する。なお、レンズ位置決定部２２はユーザ入力を元にレンズ位置を決定してもよいし、オートフォーカス機能のように自動的にレンズの最適位置を算出する手段によってレンズ位置を決定してもよい。
【００１３】
被写体から発して光学系１０に入射した光束は、光学系１０の機能により、撮像素子８の面上に被写体像を結像する。このとき第一の位相変調素子６および第二の位相変調素子７の効果により被写体像にはボケが発生する。なお、光学系１０（撮像装置）と撮像素子８が一体となった構成をレンズモジュールと呼ぶ。
【００１４】
撮像素子８はその面上に複数の画素を有している。この撮像素子８の面上に結像された被写体像は、撮像素子８により画素ごとにアナログ信号に変換され、更に画像生成部２０によりデジタル信号に変換されて被写体像に対応した画像データが生成される。
【００１５】
画像処理部２３は画像データを受け取り、第一の位相変調素子６および第二の位相変調素子７の位相変調に起因する被写体像のボケを除去するための補正処理を施す。このように、あえてボケを施すことにより、焦点深度を拡大し、例えば、撮像素子の位置調整精度の緩和等の効果がある。
【００１６】
上記補正処理の方法は、光学系１０のＯＴＦの逆フィルタを用い、画像に補正処理を施す方法でよい。ＯＴＦの逆フィルタの情報は画像補正用変数格納部２４に格納されている。但し、光学系１０のＯＴＦが第二レンズ群２および第四レンズ群４の位置により異なる場合には、画像処理部はレンズ位置の情報を元に、画像補正用変数格納部２４に格納された複数の補正用変数の組から適切な補正用変数の組を選択し、選択した補正用変数の組により画像に補正処理を施す。レンズ位置の情報は、レンズ位置決定部２２から画像処理部２３に供給される。補正後の画像は出力部２５に供給されてよい。
【００１７】
次に、図２を用いて本実施例における第一の位相変調素子、第二の位相変調素子の形状について説明する。第一の位相変調素子、第二の位相変調素子は点像の光軸方向の変化を小さくする機能を有しておればよく、例えば三次関数の成分を有する面形状でもよく、複数の輪帯から構成される面形状でもよく、あるいは他の方法でもよい。
【００１８】
図２（Ａ-１）（Ａ-２）は三次関数の成分を有する面形状の例を示している。(Ａ-１)は位相変調素子の面形状を光軸方向から見た図であり、内部の線は等高線を示している。位相変調素子の開口部は矩形である。(Ａ-２)は、（Ａ-１）におけるｘ方向の断面での付加位相を表している。付加位相の形状は位相変調素子の形状に対応した三次関数の成分を有している。また、開口部の両端での位相変化の大きさは±αで表される。
【００１９】
図２（Ｂ-１）（Ｂ-２）は複数の輪帯から構成される面形状の例を示している。(Ｂ-１)は位相変調素子の面形状を光軸方向から見た図であり、内部の線は輪帯の境界線を表している。なお、(Ｂ-１)は輪帯数４の場合を示しているが必ずしも輪帯数が４である必要はない。各輪帯は略放物線の断面形状をしている。(Ｂ-２)は、(Ｂ-１)におけるｒ方向の断面での付加位相を表している。付加位相は各輪帯の形状に対応した略放物線形状である。なお、図中各輪帯による付加位相の高さを同一の高さで示しているが、必ずしも同一の高さである必要はない。また、図２（Ｂ-１）（Ｂ-２）で各輪帯を等幅で示しているが、必ずしも等幅である必要はない。
【００２０】
次に、図３を用いて本実施例においてズーム状態毎に第一の位相変調素子、第二の位相変調素子が光束に対してどのように機能するかについて説明する。
【００２１】
図３（Ａ）は望遠端での光線図であり、f=136.1mm、F#=4.78である。また、第一レンズ群１は、第一レンズ１-１から第四レンズまでの符号１-１、１-２、１-３、１-４で示すレンズで構成されており、第二レンズ１-２が他のレンズに比べて、そのレンズ径が小さいとする。この時、光軸に平行に入射する光束は、第一レンズ群１内の第二レンズ１-２により大きさを制限され、開口５においては制限を受けずその中央部だけを通過する。よって、第一レンズ群１内の第二レンズ１-２の近傍に配置されている第二の位相変調素子７により比較的大きな位相付加を受け、開口５の近傍に配置されている第一の位相変調素子６によっては比較的小さな位相付加しか受けない。
【００２２】
図３（Ｂ）は広角端での光線図であり、f=4.50mm、F#=1.46である。この時光軸に平行に入射する光束は開口５により大きさを制限され、第一レンズ群１においては制限を受けずその一部の領域だけを通過する。よって、開口５の近傍に配置されている第一の位相変調素子６により比較的大きな位相付加を受け、第二の位相変調素子７によっては比較的小さな位相付加しか受けない。
【００２３】
以上のように本実施例は、ズーム機能を有する撮像装置であって、点像の光軸方向の変化を小さくする機能を有する位相変調素子を少なくとも二つ設けた構成とする。
【００２４】
また、位相変調素子の一つが光軸に平行に入射する光束の大きさを広角端において制限する部品（本実施例では開口５）の近傍に配置されている構成とする。
【００２５】
また、位相変調素子の一つが光軸に平行に入射する光束の大きさを望遠端において制限する部品（本実施例では第一レンズ群１内の第二レンズ１-２）の近傍に配置されている構成とする。
【００２６】
よって、本実施例によれば、第一の位相変調素子に加えて第二の位相変調素子を配置することにより、広角端での付加位相に殆ど影響を与えることなく、望遠端での付加位相を変化させることができる。つまり広角端での付加位相は第一の位相変調素子の面形状により適切に設定することが可能であり、望遠端での付加位相は第二の位相変調素子の面形状により適切に設定することが可能である。これによって広角端、望遠端でそれぞれ所望の焦点深度拡大効果を得ることができる。
【００２７】
なお、位相変調素子は、ガラスやプラスチック等の部材であらかじめ作り込むので、電気的な制御は不要であり、電気的な配線の引き回しが必要となり撮像システムのサイズが大きくなるという問題もなく、また、複雑な構成の部品を使用するために製造コストが上昇してしまうという問題も解消される。
【００２８】
よって、本実施例によれば、小型で安価な構成のズーム機能を有する撮像装置であって、少なくとも２つのズーム状態においてそれぞれ所望の焦点深度拡大効果を得ることができる。
【実施例２】
【００２９】
本実施例は、図３に示す光学系において第一の位相変調素子、第二の位相変調素子ともに図２（Ａ-１）に示す三次関数の成分を有する面形状の位相変調素子を適用した第一の構成での瞳面上位相及び焦点深度拡大効果のシミュレーション結果について説明する。
【００３０】
第一の位相変調素子はα=7.3λ、第二の位相変調素子はα=1.8λである（λ=560nm）。図４はズーム状態毎の瞳座標での位相のシミュレーション結果である。図４（Ａ）（Ｂ）において、破線ａは光学系に第一の位相変調素子のみを配置した場合、実線ｂは第一の位相変調素子と第二の位相変調素子の両方を配置した場合を示している。図４（Ａ）によると、望遠端では第二の位相変調素子を配置することにより付加位相を大きくすることができることが分かる。一方、図４（Ｂ）によると、広角端では第二の位相変調素子を配置しても付加位相は殆ど変わらないことが分かる。
【００３１】
図５は焦点深度のシミュレーション結果を示している。画像の品質の評価にはＰＳＮＲ（Peak Signal-to-Noise Ratio）を使用した。入力画像は女性モデル（Lena）の画像とし、再生画像に劣化があってもＰＳＮＲが35dＢ以上となる合焦位置からのずれ(defocus)の範囲を焦点深度とした。また、センサピッチは7.5μm、センサの量子化ｂitは12ｂitとした。参考のため同じ光学系で位相変調素子を配置しない場合（通常系）の画像のＰＳＮＲも示した。通常系ではdefocusに伴い点像がぼけ、出力画像が劣化するが、同様にＰＳＮＲが35dＢ以上となるdefocusの範囲を焦点深度とした。図中ＤＯＦ(Ｎ)と記した範囲が通常系の焦点深度である。また光学系に第一の位相変調素子のみを配置した状態での再生画像のプロットを破線ａ、その状態での焦点深度をＤＯＦ（ａ）、第一の位相変調素子と第二の位相変調素子の両方を配置した状態での再生画像のプロットを実線ｂ、その状態での焦点深度をＤＯＦ（ｂ）として表している。図５(Ａ) によると、望遠端では第二の位相変調素子を配置することにより第一の位相変調素子だけを配置した状態に比べて焦点深度の拡大効果を大きく設定できることが分かる。一方、図５（Ｂ）によると、広角端では第二の位相変調素子を配置しても焦点深度拡大効果は殆ど変わらないことが分かる。
【００３２】
よって、本実施例によれば、実施例１と同様に、第一の位相変調素子に加えて第二の位相変調素子を配置することにより、広角端、望遠端でそれぞれ所望の焦点深度拡大効果を得ることができる。
【実施例３】
【００３３】
本実施例は、図３に示す光学系において第一の位相変調素子、第二の位相変調素子ともに図２（Ｂ-１）に示す複数の輪帯から構成される面形状の位相変調素子を適用した第二の構成での瞳面上位相及び焦点深度拡大効果のシミュレーション結果について説明する。
【００３４】
第一の位相変調素子は輪帯数４であり、４輪帯ともｈ=2.5λ、第二の位相変調素子は輪帯数２であり、２輪帯ともｈ=5λである（λ=560nm）。第一の位相変調素子、第二の位相変調素子とも各輪帯は等幅に設定している。図６、７におけるａ、ｂ、ＤＯＦ（Ｎ）、ＤＯＦ（ａ）、ＤＯＦ（ｂ）などの記号は図４、５と同様なので説明を省略する。また焦点深度の定義、センサの設定は同一の条件である。
【００３５】
図６はズーム状態毎の瞳座標での位相のシミュレーション結果である。図６（Ａ）によると、望遠端では第二の位相変調素子を配置することにより付加位相を大きくすることができることが分かる。一方、図６（Ｂ）によると、広角端では第二の位相変調素子を配置することによる付加位相の変化は比較的小さいことが分かる。
【００３６】
図７は焦点深度のシミュレーション結果を示している。図７(Ａ) によると、望遠端では第二の位相変調素子を配置することにより第一の位相変調素子だけを配置した状態に比べて焦点深度の拡大効果を大きく設定できることが分かる。一方、図７（Ｂ）によると、広角端では第二の位相変調素子を配置することにより焦点深度拡大効果は僅かに減少するものの殆ど変わらないことが分かる。
【００３７】
以上説明したように、本実施例によれば、実施例２と同様に、第一の位相変調素子に加えて第二の位相変調素子を配置することにより、広角端、望遠端でそれぞれ所望の焦点深度拡大効果を得ることができる。
【００３８】
なお、実施例２では、第一の位相変調素子、第二の位相変調素子ともに三次関数の成分を有する面形状の位相変調素子を適用した例、実施例３では、第一の位相変調素子、第二の位相変調素子ともに輪帯構造からなる位相変調素子を適用した例について説明したが、この組み合わせに限ることなく、例えば第一の位相変調素子が三次関数の成分を有する面形状の位相変調素子であり、第二の位相変調素子が輪帯構造からなる位相変調素子であっても良いし、その逆の組み合わせであっても良い。
【００３９】
また、以上の実施例では位相変調素子を２つ用いた例について説明したが、これに限定されず、例えば、３つ用いても良い。具体的には、固定されていないレンズ群の近傍、つまり、図３における第二レンズ群２、に第三の位相変調素子を設けることにより、さらに焦点深度拡大効果の設定の自由度向上を図ることもできる。
【００４０】
以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１…第一レンズ群
２…第二レンズ群
３…第三レンズ群
４…第四レンズ群
５…開口
６…第一の位相変調素子
７…第二の位相変調素子
８…撮像素子
１０…光学系
２０…画像生成部
２１…レンズ位置制御部
２２…レンズ位置決定部
２３…画像処理部
２４…画像補正用変数格納部
２５…出力部
１０１…撮像システム
【図１】
2016133517.tif 000003
【図２】
2016133517.tif 000004
【図３】
2016133517.tif 000005
【図４】
2016133517.tif 000006
【図５】
2016133517.tif 000007
【図６】
2016133517.tif 000008
【図７】
2016133517.tif 000009