(57)【要約】【課題】製造上の公差を緩和することができ、製造バラツキを抑えることが可能な撮像装置、撮像方法、および電子機器を提供する。【解決手段】収差を意図的に発生させる収差制御機能を有する収差制御光学系２１０および撮像素子２２０と、１次画像を高精細な最終画像に形成する画像処理装置２４０とを含み、収差制御光学系２１０光軸中心付近より周辺部分において球面収差を大きく発生させ、画像処理装置２４０は記球面収差により低下した成分の回復処理を行い、かつ、画像処理によって増加するノイズ量を標準偏差で２倍以下に保持する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズと収差を発生させる収差制御機能を有する収差制御素子または収差制御面を含む収差制御光学系と、
前記収差制御光学系を通過した被写体像を撮像する撮像素子と、
前記撮像素子で得られた画像信号に対して画像処理を施す画像処理部と、を有し、
前記収差制御光学系は、
光軸中心付近より周辺部分において球面収差を大きく発生させ、
前記画像処理部は、
前記球面収差により低下した成分の回復処理を行い、かつ、画像処理によって増加するノイズ量を標準偏差で２倍以下に保持する
撮像装置。
【請求項２】
前記収差制御光学系は
絞りを含み、前記収差制御素子または収差制御面が前記絞りの近傍に配置されている
請求項１記載の撮像装置。
【請求項３】
前記収差制御素子自体が絞りの機能を有する
請求項１記載の撮像装置。
【請求項４】
前記収差制御機能により、前記撮像素子における点像強度分布(ＰＳＦ)が２画素以上にまたがる
請求項１から３のいずれか一に記載の撮像装置。
【請求項５】
レンズと収差を発生させる収差制御機能を有する収差制御素子または収差制御面を含む収差制御光学系により光軸中心付近より周辺部分において球面収差を大きく発生させ、
前記収差制御光学系を通過した被写体像を撮像素子で撮像し、
前記撮像素子で得られた画像信号において、前記球面収差により低下した成分の回復処理を行い、かつ、画像処理によって増加するノイズ量を標準偏差で２倍以下に保持する
撮像方法。
【請求項６】
撮像装置を有する電子機器であって、
前記撮像装置は、
レンズと収差を発生させる収差制御機能を有する収差制御素子または収差制御面を含む収差制御光学系と、
前記収差制御光学系を通過した被写体像を撮像する撮像素子と、
前記撮像素子で得られた画像信号に対して画像処理を施す画像処理部と、を有し、
前記収差制御光学系は、
光軸中心付近より周辺部分において球面収差を大きく発生させ、
前記画像処理部は、
前記球面収差により低下した成分の回復処理を行い、かつ、画像処理によって増加するノイズ量を標準偏差で２倍以下に保持する
電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像素子を用いたカメラ、特に、デジタルスチルカメラや携帯端末用小型カメラ等の民生機器、監視カメラや画像検査装置等の産業機器等を含めた高い光学性能を有する電子画像機器システムに適した撮像装置、撮像方法、および電子機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車、携帯電話、産業機器等の普及に伴い、搭載するカメラモジュールの需要が高くなってきている。そして、この傾向はますます強くなると予想される。
【０００３】
また、撮像素子も進展して、より小型化し高画素化になってきている。このため、カメラ等の撮像装置は、サイズについてもよりコンパクトにすることができるようになっている。
その結果、小型の撮像レンズが市場から要求されることとなった。
【０００４】
そして、撮像装置は、コンパクトでありながら、求められる解像力や画像の品位の面でさらに高い性能を要求されるため、以下にあげる項目を満足する必要がある。
【０００５】
一つ目に高解像である必要がある。
最近では、ピクセルピッチが２μｍを切るものが市場に出回るようになり携帯電話にも３００万画素相当のカメラモジュールが小型で搭載されるようになってきている。
そのため、レンズ系でもコンパクト性を保ちながら撮像素子に合った十分な収差補正をする必要がある。
【０００６】
二つ目に明るいレンズ系である必要がある。
現在、撮像素子の小型化、高画質化が進むに伴ってピクセルピッチが狭くなっているため、フォトセンサ毎の受光量が少なくなってきている。
このことはそのままノイズの増大につながることから、撮像素子に効率的に光を入れる必要がある。
明るいレンズ系を実現するためには、次のような手段が考えられる。
【０００７】
Ｆナンバーを小さくする。現在携帯カメラはＦナンバー：2.8が主流であるが撮像素子の小型化に伴って周辺でのノイズが目立ってきている。
これからは、デジタルスチルカメラ（ＤＳＣ）のトレンドが高感度に移行しているように携帯カメラにおいてもますます低照度での画質が要求されることとなる。
つまり撮像素子の改善と同時にレンズ系での明るさを保持する必要がある。
【０００８】
しかし、諸収差は口径の開きが大きいほど量的に発生する。
つまり光軸から離れたところにおいて大きく発生することを意味している。換言すれば、Ｆナンバーが小さくなればなるほど収差のコントロールが困難となってくる。
【０００９】
収差コントロールは最適化によって、周辺部まで収差が制御されて、物体側の像が像面にて限りなく忠実となるように最適化設計が施されている。
現在の設計ソフトを用いれば、非球面を用いて用意に高性能な設計を行うことができる。
【００１０】
しかし、実際には製造公差というものが存在し実際の物が設計値通りにできることはない。
設計ソフトが優れているだけに、設計値上のベストを割り出すことはできるが製造上ベストな設計とはなっていない。優れた設計とは製造まで考慮して完成品の品質が良い設計のことをいう。
【００１１】
従来の公差緩和設計としては例えばレンズ単体の公差感度が緩くなるように設計する方法がある。
【００１２】
特許文献１には、光学系を決定する全ての光学パラメータに関し誤差の無い状態Ｓ0 のパラメータ組に対する評価関数Ｅ0 と、少なくとも一つの光学パラメータに誤差±δの誤差がある状態Ｓ1 、Ｓ2 …に対する評価関数Ｅ1 、Ｅ2 …を適当な重みを掛けて加えた評価関数Ｅ＝ｗ0 Ｅ0 ＋ｗ1 Ｅ1 ＋ｗ2 Ｅ2 …＝ΣｗkＥk を作り、これを最小にするような光学パラメータの組を求める、レンズおよび光学系の設計方法が提案されている。
【特許文献１】特許第３００６６１１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上記技術では、設計段階で公差感度を緩くするのにも限界がある。
昨今、デジタルスチルカメラ、携帯端末用カメラモジュール等は、かなり小型化してきている。そのため、部品に求められる要求制度がミクロンオーダーと高くなってきている。
その結果、上記技術をもって公差感度を緩くできたとしても製品バラツキを抑えられるレベルにまで達することができない。
【００１４】
本発明の目的は、製造上の公差を緩和することができ、製造バラツキを抑えることが可能な撮像装置、撮像方法、および電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の観点の撮像装置は、レンズと収差を発生させる収差制御機能を有する収差制御素子または収差制御面を含む収差制御光学系と、前記収差制御光学系を通過した被写体像を撮像する撮像素子と、前記撮像素子で得られた画像信号に対して画像処理を施す画像処理部と、を有し、前記収差制御光学系は、光軸中心付近より周辺部分において球面収差を大きく発生させ、前記画像処理部は、前記球面収差により低下した成分の回復処理を行い、かつ、画像処理によって増加するノイズ量を標準偏差で２倍以下に保持する。
【００１６】
好適には、前記収差制御光学系は、絞りを含み、前記収差制御素子または収差制御面が前記絞りの近傍に配置されている。
【００１７】
好適には、前記収差制御素子自体が絞りの機能を有する。
【００１８】
好適には、前記収差制御機能により、前記撮像素子における点像強度分布(ＰＳＦ)が２画素以上にまたがる。
【００１９】
本発明の第２の観点の撮像方法は、レンズと収差を発生させる収差制御機能を有する収差制御素子または収差制御面を含む収差制御光学系により光軸中心付近より周辺部分において球面収差を大きく発生させ、前記収差制御光学系を通過した被写体像を撮像素子で撮像し、前記撮像素子で得られた画像信号において、前記球面収差により低下した成分の回復処理を行い、かつ、画像処理によって増加するノイズ量を標準偏差で２倍以下に保持する。
【００２０】
本発明の第３の観点は、撮像装置を有する電子機器であって、前記撮像装置は、レンズと収差を発生させる収差制御機能を有する収差制御素子または収差制御面を含む収差制御光学系と、前記収差制御光学系を通過した被写体像を撮像する撮像素子と、前記撮像素子で得られた画像信号に対して画像処理を施す画像処理部と、を有し、前記収差制御光学系は、光軸中心付近より周辺部分において球面収差を大きく発生させ、前記画像処理部は、前記球面収差により低下した成分の回復処理を行い、かつ、画像処理によって増加するノイズ量を標準偏差で２倍以下に保持する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、製造上の公差を緩和することができ、製造バラツキを抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を添付図面に関連付けて説明する。
【００２３】
図１は、本発明の実施形態に係る電子機器としての情報コード読取装置の一例を示す外観図である。
図２（Ａ）〜（Ｃ）は、情報コードの例を示す図である。
図３は、図１の情報コード読取装置に適用可能な撮像装置の構成例を示すブロックである。
なおここでは、本実施形態の撮像装置が適用可能な装置として、情報コード読取装置を例示している。
【００２４】
本実施形態に係る情報コード読取装置１００は、図１に示すように、本体１１０がケーブル１１１を介して図示しない電子レジスタ等の処理装置と接続され、たとえば読み取り対象物１２０に印刷された反射率の異なるシンボル、コード等の情報コード１２１を読み取り可能な装置である。
読み取り対象の情報コードとしては、たとえば図２（Ａ）に示すような、ＪＡＮコードのような１次元のバーコード１２２と、図２（Ｂ）および（Ｃ）に示すようなスタック式のＣＯＤＥ４９、あるいはマトリックス方式のＱＲコードのような２次元のバーコード１２３が挙げられる。
【００２５】
本実施形態に係る情報コード読取装置１００は、本体１１０内に、図示しない照明光源と、図３に示すような撮像装置２００とが配置されている。
撮像装置２００は、後で詳述するように、光学系に収差制御面、または収差制御素子を適用し、収差制御素子により球面収差を意図的に発生させ、より具体的には、球面収差以外の諸収差を抑えながら球面収差のみを光軸から離れたところにておおきく発生させ、球面収差を発生させる面は絞りに隣接、もしくは絞りの効果を有し、球面収差によってソフトフォーカスのようにボケた画像は画像処理によって復元し、ＪＡＮコードのような１次元のバーコードとＱＲコードのような２次元のバーコードのような情報コードを的確に高精度で読み取ることが可能に構成されている。
【００２６】
すなわち、本実施形態の撮像装置２００は、光軸から離れたところにおいて球面収差を大きく発生させて口径の開きの影響を緩和し製造公差を緩和し、意図的に球面収差を発生させて劣化した変調伝達関数（ＭＴＦ：Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）については画像処理によって回復する。
このように、本実施形態においては、撮像素子を対象とした撮像光学系を有する撮像光学系において、縦収差において光軸から離れたところで極端に球面収差のみを発生させている。
三次の収差係数は近軸曲率半径rにより発生する項（球面項）と非球面係数ｂにより発生する項（非球面項）の代数和となる。各収差は入射高ｈに大きく依存している。
【００２７】
実際製造上でも、面の精度は光軸から離れると悪くなることが多い。製造公差を緩和する設計は一般的に行われているが、単品による製造公差、組込みによる公差を積み上げると現在の小型化されたカメラモジュールの要求には答えられない。そこで画像処理によって収差を補正する技術もあるがこれも一様に収差が発生しなければ意味を成さない。そのためまずは、製造公差と組込み公差が発生してもでき上がった物、つまり製品のバラツキを押さえれば画像処理によって収差を補正することができる。
【００２８】
本実施形態では、各種収差のうち球面収差を画像処理によって補正することを特徴としている。まず球面収差を発生することがなぜ良いかというと次のとおりである。
他の収差にあまり影響を与えないで球面収差のみをコントロールすることが容易だからである。球面収差のみを制御したければ、絞り近傍位置の面を所望の球面収差カーブとなるように制御すればよい。
【００２９】
球面収差による画像への影響はスポット径の広がりである。これは、他のコマ収差、非点収差、歪曲収差とことなり結像位置にあまり依存しない。つまり撮像素子上のどの結像位置も同様のボケとなる。同様のボケ像となればこれはフィルターによる画像処理復元が可能となる。
【００３０】
以上のように、本実施形態においては、まず球面収差を光軸から離れた箇所にて意図的に発生させてまずレンズの製造公差を大幅に改善し、さらに公差緩和のために発生して劣化したＭＴＦを画像処理によって復元するという方法で球面収差を画像処理によって補正している。
さらに画像処理では、復元は主に低周波成分の回復を主とする。高周波成分を画像処理によって復元しようとするとノイズの増加を招く。そのため球面収差によって高周波まで劣化させることは好ましくない。
本実施形態における画像処理部は、球面収差により低下した成分の回復処理を行い、かつ、画像処理によって増加するノイズ量を標準偏差で２倍以下に保持する。
【００３１】
本実施形態の撮像装置２００のより具体的な構成および機能について説明する。
【００３２】
情報コード読取装置１００の撮像装置２００は、図３に示すように、収差制御光学系２１０、撮像素子２２０、アナログフロントエンド部（ＡＦＥ）２３０、画像処理装置２４０、カメラ信号処理部２５０、画像表示メモリ２６０、画像モニタリング装置２７０、操作部２８０、および制御装置２９０を有している。
【００３３】
図４は、本実施形態に係る収差制御光学系を形成する撮像レンズユニットの基本構成を示す図である。
【００３４】
収差制御光学系２１０Ａは、被写体物体ＯＢＪを撮影した像を撮像素子２２０に供給する。
また、収差制御光学系２１０Ａは、物体側から順に、像面側を凹とする第１レンズ２１１、物体側と像面側ともに両凸の第２レンズ２１２、像面側を凹とする第３レンズ２１３、絞り２１４、第４レンズ２１５、第５レンズ２１６が配置されている。
本実施形態の収差制御光学系２１０Ａは、第４レンズ２１５と第５レンズ２１６が接続されている。すなわち、本実施形態の収差制御光学系２１０Ａのレンズユニットは、接合レンズを含んで構成されている。
【００３５】
そして、本実施形態の収差制御光学系２１０Ａは、収差を意図的に発生させる収差制御機能を有する収差制御面を適用した光学系として構成されている。
本実施形態においては、球面収差のみを発生させるために、収差制御面を挿入する必要がある。なお、収差制御効果は別素子の収差制御素子を挿入しても良い。
その例を示すと図４のようになり、通常の光学系に収差制御面(第３レンズＲ２面)を含んだ形となっている。
ここでいう収差制御面とは、収差制御素子の持つ収差制御効果をレンズ面に内包したものをいう。好適には収差制御面２１３ａは絞り２１４に隣接していることが好ましい。
また、図４の下方に収差制御面を形成する前と後の球面収差の変化を示しているが、収差制御面を絞り２１４の近傍に、あるいは収差制御素子自身に絞り機能を持たせることにより、収差制御面を最適化することで、物体が画面の中心に写る場合も周辺に写る場合も均一な画質とすることが可能となり、撮像装置の最終出力画像信号として性能の高い固定焦点レンズとすることができる。
【００３６】
このように、本実施形態の収差制御光学系２１０Ａは、収差制御機能を有する収差制御面を内包する収差制御光学系を用いてＰＳＦを２画素以上にまたがるように構成される。
以下、この収差制御光学系２１０Ａの特徴的な構成、機能についてさらに詳述する。
【００３７】
図５(Ａ)、(Ｂ)および図６(Ａ)，(Ｂ)は、本実施形態に係る収差制御光学系の球面収差発生量について説明するための図である。図５は撮像素子(センサ)を固定したときのセンサとＰＳＦとの関係を示し、図６は収差制御光学系を固定したときのセンサとＰＳＦとの関係を示している。
【００３８】
たとえば、撮像素子２２０はある画素ピッチを有するセンサであるとする。その場合に、本実施形態では、球面収差を光軸から離れた箇所にて意図的に発生させてＰＳＦを１画素ＰＸＬより大きくする必要がある。
図５（Ａ）および図６（Ａ）に示すように、１画素ＰＸＬの中にＰＳＦが納まってしまうサイズで球面収差を発生させてもそれは通常の光学系と同じである。通常光学系では一般的にピント位置の中心ＰＳＦのサイズが最小となる。
これに対して、本実施形態に係る収差制御光学系２１０Ａでは、図５（Ｂ）に示すように、ＰＳＦはアウトフォーカスに限らずピント位置までも１画素ＰＸＬに収まらないサイズに制御される。
【００３９】
次に、収差制御光学系に適した撮像素子（センサ）選定について説明する。
たとえばあるＰＳＦサイズを持った収差制御光学系があるとすると、図６（Ｂ）に示すように、センサの画素ピッチがＰＳＦのサイズより小さいものを選ぶことが好ましい。
仮に画素ピッチがＰＳＦより大きいものを選んだとすると通常光学系と同じとなってしまい、そこがピントとなってしまう。よって、その場合、収差制御光学系の球面収差の効果を有効に得ることができない。
【００４０】
なお、本実施形態の光学系２１０において、レンズの非球面の形状は、物体側から像面側へ向かう方向を正とし、ｋを円錐係数、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを非球面係数、ｒを中心曲率半径としたとき次式で表される。ｈは光線の高さ、ｃは中心曲率半径の逆数をそれぞれ表している。ただし、Ｚは面頂点に対する接平面からの深さを、Ａは４次の非球面係数を、Ｂは６次の非球面係数を、Ｃは８次の非球面係数を、Ｄは１０次の非球面係数をそれぞれ表している。
【００４１】
【数１】
2009206822.tif 000003
【００４２】
以上の構成を採ることにより、目的の撮像レンズを実現できる。
また、図７は、本実施形態の光学系を構成する撮像レンズユニットの中心曲率半径等を示す図である。
図８は、本実施形態の光学系を構成する撮像レンズユニットのレンズ間距離等を示す図である。
【００４３】
本実施形態の撮像レンズ２１０においては、図７に示すように、第１レンズ２１１の物体側面１の中心曲率半径はＲ１に、第１レンズ２１１の像面側面２の中心曲率半径はＲ２に、第２レンズ２１２の物体側面３の中心曲率半径はＲ３に、第２レンズ２１２の像面側面４の中心曲率半径はＲ４に、第３レンズ２１３の物体側面５の中心曲率半径はＲ５に、第３レンズ２１３の像面側面６の中心曲率半径はＲ６に、第４レンズ２１５の物体側面８の中心曲率半径はＲ７に、第４レンズ２１５の像面側貼り合わせ面９の中心曲率半径はＲ８に、第５レンズ２１６の像面側面１０の中心曲率半径はＲ９に、ＩＲカットフィルタ処理を施した平面ガラス２２３の第５レンズ２１６側の面１１の中心曲率半径はＲ１０に、平面ガラス２２３の撮像素子２２０側の面１２の中心曲率半径はＲ１１、センサカバーガラスとなる平面ガラス２２１の第５レンズ２１６側の面１３の中心曲率半径はＲ１２に、平面ガラス２２１の撮像面２２２側の面１４の中心曲率半径はＲ１３に設定されている。
なお、カバーガラス２２３、２２１の両面の中心曲率半径は０である。
また、第１レンズ２１１の屈折率はn1、分散値はν1、第２レンズ２１２屈折率はn2、分散値はν2、第３レンズ２１３の屈折率はn3、分散値はν3、第４レンズ２１５の屈折率はn4、分散値はν4、第５レンズ２１６の屈折率はn5、分散値はν5に設定される。
【００４４】
また、図８に示すように、第１レンズ２１１の面１から第１レンズ２１１の面２までの距離をＤ１、第１レンズ２１１の面２から第２レンズ２１２の面３までの距離をＤ２、第２レンズ２１２の面３から第２レンズ２１２面４までの距離をＤ３、第２レンズ２１２の面４から第３レンズ２１３の面５までの距離をＤ４、第３レンズ２１３の面５から第３レンズ２１３の面６までの距離をＤ５、第３レンズ２１３の面６から絞り面７までの距離をＤ６、絞り面７から第４レンズ２１５の面８までの距離をＤ７、第４レンズ２１５の面８から第４レンズ２１５の面９までの距離をＤ８、第４レンズ２１５の面９から第５レンズ２１６の面１０までの距離をＤ９、第５レンズ２１６の面１０からカバーガラス２２３の面１１までの距離をＤ１０、カバーガラス２２３の面１１からカバーガラス２２３の面１２までの距離をＤ１１、カバーガラス２２３の面１２からカバーガラス２２１の面１３までの距離をＤ１２、カバーガラス２２１の面１３からカバーガラス２２１の面１４までの距離をＤ１３、とする。
【００４５】
以上、本実施形態に係る光学系の特徴的な構成、機能、効果について説明した。
以下に、撮像素子、画像処理部等の他の構成部分の構成、機能について説明する。
【００４６】
撮像素子２２０は、たとえば、図４に示すように、第５レンズ２１６側から、ガラス製の平行平面板（カバーガラス）２２１と、ＣＣＤあるいはＣＭＯＳセンサ等からなる撮像素子の撮像面２２２が順に配置されている。
収差制御光学系２１０Ａを介した被写体ＯＢＪからの光が、撮像素子２２０の撮像面２２２上に結像される。
なお、撮像素子２２０で撮像される被写体分散像は、収差制御面２１３ａにより撮像素子２２０上ではピントが合わず、深度の深い光束とボケ部分が形成された像である。
【００４７】
そして、図３に示すように撮像素子２２０は、収差制御光学系２１０で取り込んだ像が結像され、結像１次画像情報を電気信号の１次画像信号ＦＩＭとして、アナログフロントエンド部２３０を介して画像処理装置２４０に出力するＣＣＤやＣＭＯＳセンサからなる。
図３においては、撮像素子２２０を一例としてＣＣＤとして記載している。
【００４８】
アナログフロントエンド部２３０は、タイミングジェネレータ２３１、およびアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ２３２を有する。
タイミングジェネレータ２３１では、撮像素子２２０のＣＣＤの駆動タイミングを生成しており、Ａ／Ｄコンバータ２３２は、ＣＣＤから入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換し、画像処理装置２４０に出力する。
【００４９】
信号処理部の一部を構成する画像処理装置２４０は、前段のＡＦＥ２３０からくる撮像画像のデジタル信号を入力し、エッジ強調等の画像処理を施し、収差制御光学系２０１Ａの収差により低下したたとえばコントラストを向上させ、後段のカメラ信号処理部（ＤＳＰ）２５０に渡す。
本実施形態における画像処理装置２４０は、球面収差により低下した成分(コントラスト)の回復処理を行い、かつ、画像処理によって増加するノイズ量を標準偏差で２倍以下に保持する。
【００５０】
カメラ信号処理部（ＤＳＰ）２５０は、カラー補間、ホワイトバランス、ＹＣｂＣｒ変換処理、圧縮、ファイリング等の処理を行い、メモリ２６０への格納や画像モニタリング装置２７０への画像表示等を行う。
【００５１】
制御装置２９０は、露出制御を行うとともに、操作部２８０などの操作入力を持ち、それらの入力に応じて、システム全体の動作を決定し、ＡＦＥ２３０、画像処理装置２４０、ＤＳＰ２５０、絞り２１３等を制御し、システム全体の調停制御を司るものである。
【００５２】
次に、画像処理装置２４０は、球面収差により低下した成分(コントラスト)の回復処理を行い、画像処理によって増加するノイズ量を標準偏差で２倍以下に保持する理由について説明する。
【００５３】
図９は、フィルタゲインについて説明するための図である。
図１０は、センサゲインとシャッタスピードとの関係を示す図である。
図１１は、レンズの明るさとシャッタスピードとの関係を示し図である。
【００５４】
画像処理によって増加するノイズ量、つまりフィルタゲインは簡単に考えればコントラスト持ち上げ量であり画像処理に伴うノイズのフィルタゲインＦＧは図９および次式のように表すことができる。
【００５５】
［数２］
ＦＧ＝√(mean(mean((目標ＯＴＦ／復元前ＯＴＦ)２))
【００５６】
以上のことから注意を要するのは、フィルタゲインＦＧはノイズの持ち上げ量でもあるということである。
そこで、設計時のノイズゲインは２倍と目標を定める。
このノイズゲインを２倍以上に持ち上げられないことには理由が２つある。
一つは、ノイズを増長させると画質に影響を与えることである。そして、もう一つは、ノイズとシャッタ速度の関係による商品価値である。
商品価値について以下に述べる。
【００５７】
まず、フィルムカメラ、デジタルカメラにはＩＳＯ感度がある。ＩＳＯ１００とかＩＳＯ４００と呼ばれていたもので、フィルム感度を示すものである。
感度が高いフィルムは少ない光でも写真を撮れる。露出はシャッタスピードと絞りの組み合わせで決まるが、ＩＳＯ４００ではＩＳＯ１００と比べてシャッタスピードを４倍速くできる。
シャッタスピードが速くなれば手振れや被写体ぶれによる失敗が減る。
デジタルカメラにはフィルムはないが、フィルムカメラ時代の感覚で使えるように、ＩＳＯ感度をコントロールできるようになっている。
ＩＳＯ感度を低く設定すると、感度が落ちる分シャッタスピードが遅くなり、暗いところでの撮影が苦手になる。
逆にＩＳＯ感度を上げる(増感)とシャッタスピードを速くできるため、暗いところでの撮影に強くなる。
しかし、感度を上げて撮影すると画質が落ちる。
具体的には、感度を上げれば上げるほど、画像にノイズが増え、ディテールの描写が難しくなり、色の鮮やかさも落ちる。よって、昼間の屋外ではできるだけ低い感度で高画質に、暗めの場所ではフラッシュを焚くか、ＩＳＯ感度を少しずつ上げて手ぶれしないように撮る、ということが基本となっている。
【００５８】
そこで、シャッタスピードとセンサゲインについて説明する。
これは、現在のデジタルカメラの高感度化を例にとるとわかりやすい。たとえば、明るさが一定で一定の出力輝度を得るには図１０のような３つのタイプを上げることができる。
よって、もしシャッタスピードを速くしたいのであれば、ＩＳＯ感度を上げるしかない。
しかし、ＩＳＯ感度を上げればノイズも増えることを忘れてはならない。ノイズを増やさないようにセンサゲインを固定してシャッタスピードを速くするには、レンズを明るくする方法がある。たとえばＦナンバーを２段あげると、図１１に示すように、シャッタスピードを１／４に高速化することができる。
ＩＳＯ感度とは異なりレンズを明るくしてシャッタスピードを速くする分には、ノイズの量は変わらない。
ただし、実際はＦナンバーを２．８にすると、Ｆナンバー５．６に比べて公差感度はより厳しくなる。
よって、レンズを明るくしながらも所望の公差感度を得るには本発明が有用となる。
【００５９】
次に、本実施形態および通常光学系のＭＴＦのレスポンスについて考察する。
【００６０】
図１２は、通常の光学系の場合において、ピントがあった時のＭＴＦのレスポンスを示す図である。
図１３は、本実施形態の球面収差を発生させた光学系の場合において、ピントがあった時のＭＴＦのレスポンスを示す図である。
【００６１】
図１２および図１３からわかるように、球面収差を発生させたことによりＭＴＦのレスポンスが劣化する。
本実施形態においては、この光学系によって結像された画像を、画像処理によって、ＭＴＦのレスポンスを向上させる。
【００６２】
図１４(Ａ)および(Ｂ)は、本実施形態の球面収差発生レンズおよび通常光学系と球面収差発生レンズのスポット像を示している。
図からわかるとおり、球面収差を意図的に発生させている方がスポット径は大きいがコマ収差の発生を抑えスポットの形状は丸を維持している。
そのため広がったＰＳＦを点に戻すといったフィルタを作製した場合、画面全域にわたって良好なＭＴＦ改善が見込まれる。
【００６３】
図１５は、通常光学系において製造公差によってレンズのＲ１面が面ディセンターで0.03mm偏芯した状態のＭＴＦを示している。
また、図１６は、球面収差を発生させたレンズにおいて製造公差によってレンズのＲ１面が面ディセンターで0.03mm偏芯した状態のＭＴＦを示している。
【００６４】
両者のＭＴＦを比較すると球面収差を発生させた光学系の方が偏芯に対する感度が緩くなっていることが分かる。
【００６５】
図１７は、通常光学系において公差によって画面内でバラツキが生じた場合を示している。
また、図１８は、本実施形態に係る収差制御光学系において公差によって画面内でバラツキが生じた場合を示している。
【００６６】
通常光学系では、公差によって画面内でバラツキが生じた場合、画像処理によって差が増幅され、目立つようになってしまう。
これに対して、収差制御光学系では、公差によって画面内でバラツキが生じた場合、画像処理によって差が増幅されても、その差がほとんど目立たない。
【００６７】
以下に、従来の設計による撮像レンズの具体的な例を比較例として示し、本実施形態のように球面収差を発生させた場合の撮像レンズの具体的な数値による例を実施例として示す。
【００６８】
（比較例）
表１および表２に比較例の各数値を示す。比較例の各数値は図７および図８の撮像レンズ２１０Ａに対応している。表１は、比較例における撮像レンズの各面番号に対応した絞り、各レンズ、カバーガラスの曲率半径（Ｒ：ｍｍ），間隔（Ｄ：ｍｍ）、屈折率（Ｎ）、および分散値（ν）を示している。
【００６９】
【表１】
2009206822.tif 000004
【００７０】
表２は、比較例における非球面を含む第１レンズ２１１、第２レンズ２１２、第３レンズ２１３、および第４レンズ２１５、第５レンズ２１６の所定面の非球面係数を示す。表２において、ｋは円錐定数を、Ａは４次の非球面係数を、Ｂは６次の非球面係数を、Ｃは８次の非球面係数を、Ｄは１０次の非球面係数をそれぞれ表している。
【００７１】
【表２】
2009206822.tif 000005
【００７２】
図１９（Ａ）〜（Ｃ）は、比較例において、球面収差、歪曲収差、および非点収差を示す収差図である。図１９（Ａ）が球面収差、図１９（Ｂ）が非点収差を、図１９（Ｃ）が歪曲収差をそれぞれ示している。
図１９（Ｂ）中、破線Ｍはメリディオナル像面におけるｄ線の値、実線Ｓはサジタル像面におけるｄ線での値をそれぞれ示している。
図１９からわかるように、比較例によれば、球面、歪曲、非点の諸収差が良好に補正され、結像性能に優れた撮像レンズが得られる。
【００７３】
（実施例）
表３および表４に実施例の各数値を示す。実施例の各数値は図７および図８の撮像レンズ２１０Ａに対応している。表３は、実施例における撮像レンズの各面番号に対応した絞り、各レンズ、カバーガラスの曲率半径（Ｒ：ｍｍ），間隔（Ｄ：ｍｍ）、屈折率（Ｎ）、および分散値（ν）を示している。
【００７４】
【表３】
2009206822.tif 000006
【００７５】
表４は、実施例における非球面を含む第１レンズ２１１、第２レンズ２１２、第３レンズ２１３、および第４レンズ２１５、第５レンズ２１６の所定面の非球面係数を示す。表２において、ｋは円錐定数を、Ａは４次の非球面係数を、Ｂは６次の非球面係数を、Ｃは８次の非球面係数を、Fは１４次の非球面係数をそれぞれ表している。
【００７６】
【表４】
2009206822.tif 000007
【００７７】
図２０（Ａ）〜（Ｃ）は、実施例において、球面収差、歪曲収差、および非点収差を示す収差図である。図２０（Ａ）が球面収差、図２０（Ｂ）が非点収差を、図２０（Ｃ）が歪曲収差をそれぞれ示している。
図２０（Ｂ）中、破線Ｍはメリディオナル像面におけるｄ線の値、実線Ｓはサジタル像面におけるｄ線での値をそれぞれ示している。
図２０からわかるように、実施例によれば、球面収差のみが大きく発生していることがわかる。
【００７８】
このように、実施形態に係る撮像装置２００は、基本的に、１次画像を形成する収差制御光学系２１０および撮像素子２２０と、１次画像を高精細な最終画像に形成する画像処理装置１４０からなり、光学系システムの中に、収差制御素子を新たに設けるか、またはガラス、プラスチックなどのような光学素子の面を収差制御用に成形したものを設けることにより、球面収差を意図的に発生させて結像の波面を変形（変調）し、そのような波面をＣＣＤやＣＭＯＳセンサからなる撮像素子２２０の撮像面（受光面）に結像させ、その結像１次画像を、画像処理装置２４０を通して高精細画像を得る画像形成システムである。
本実施形態では、撮像素子２２０による１次画像は深度が非常に深い光束条件にしている。そのために、１次画像のＭＴＦは本質的に低い値になっており、そのＭＴＦの補正を画像処理装置２４０で行う。
【００７９】
以上説明したように、本実施形態によれば、収差を意図的に発生させる収差制御機能を有する収差制御光学系２１０および撮像素子２２０と、１次画像を高精細な最終画像に形成する画像処理装置２４０とを含み、収差制御光学系２１０光軸中心付近より周辺部分において球面収差を大きく発生させ、画像処理装置２４０は前記球面収差により低下した成分の回復処理を行い、かつ、画像処理によって増加するノイズ量を標準偏差で２倍以下に保持することから、以下の効果を得ることができる。
【００８０】
すなわち、本実施形態においては、撮像光学系において開口径が大きいほど顕著に表れる収差への対策として、収差発生の源である光軸から離れたところの球面収差を逆に意図的に大きく発生させ、その結果劣化したＭＴＦを画像処理によって回復させることで良好な画像を得ることができる。これによって、従来特に開口径の大きい光学系において厳しい精度が要求された光学部品の寸法や組み込みの精度と言った製造上の公差を緩和することができる。
また、収差制御素子を持たない一般的な光学系よりも深度を拡張できる。
すなわち、本実施形態によれば、球面収差を適切に制御することで、画像復元処理を施さなくても深度を拡張することができ、適切な画質の、ノイズの影響が小さい良好な画像を得ることが可能となる。
【００８１】
また、難度が高く、高価でかつ大型化した光学レンズを必要とせずに、かつ、レンズを駆動させること無く、自然な画像を得ることができる利点がある。
そして、本実施形態に係る撮像装置２００は、デジタルカメラやカムコーダー等の民生機器の小型、軽量、コストに考慮が必要な光学システムに使用することが可能である。
また、収差制御光学系２１０の構成を簡単化でき、製造が容易となり、コスト低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の実施形態に係る電子機器としての情報コード読取装置の一例を示す外観図である。
【図２】情報コードの例を示す図である。
【図３】図１の情報コード読取装置に適用される撮像装置の構成例を示すブロックである。
【図４】本実施形態に係る光学系を形成する撮像レンズユニットの基本構成例を示す図である。
【図５】本実施形態に係る収差制御光学系の球面収差発生量について説明するための図であって、撮像素子(センサ)を固定したときのセンサとＰＳＦとの関係を示す図である。
【図６】本実施形態に係る収差制御光学系の球面収差発生量について説明するための図であって、収差制御光学系を固定したときのセンサとＰＳＦとの関係を示す図である。
【図７】本実施形態の光学系を構成する撮像レンズユニットの中心曲率半径等を示す図である。
【図８】本実施形態の光学系を構成する撮像レンズユニットのレンズ間距離等を示す図である。
【図９】フィルタゲインについて説明するための図である。
【図１０】センサゲインとシャッタスピードとの関係を示す図である。
【図１１】レンズの明るさとシャッタスピードとの関係を示し図である。
【図１２】通常の光学系の場合において、ピントがあった時のＭＴＦのレスポンスを示す図である。
【図１３】本実施形態の球面収差を発生させた光学系の場合において、ピントがあった時のＭＴＦのレスポンスを示す図である。
【図１４】本実施形態の球面収差発生レンズおよび通常光学系と球面収差発生レンズのスポット像を示している。
【図１５】通常光学系において製造公差によってレンズのＲ１面が面ディセンターで0.03mm偏芯した状態のＭＴＦを示す図である。
【図１６】球面収差を発生させたレンズにおいて製造公差によってレンズのＲ１面が面ディセンターで0.03mm偏芯した状態のＭＴＦを示す図である。
【図１７】通常光学系において公差によって画面内でバラツキが生じた場合を示している。
【図１８】本実施形態に係る収差制御光学系において公差によって画面内でバラツキが生じた場合を示している。
【図１９】比較例において、球面収差、歪曲収差、および非点収差を示す収差図である。
【図２０】実施例において、球面収差、歪曲収差、および非点収差を示す収差図である。
【符号の説明】
【００８３】
２００・・・撮像装置、２１０・・・収差制御光学系、２１１・・・第１レンズ、２１２・・・第２レンズ、２１３・・・第３レンズ、２１３ａ・・・収差制御面、２１４・・・絞り、２１５・・・第４レンズ、２１６・・・第５レンズ、２２０・・・撮像素子、２３０・・・アナログフロントエンド部（ＡＦＥ）、２４０・・・画像処理装置、２５０・・・カメラ信号処理部、２８０・・・操作部、２９０・・・制御装置。
【図１】
2009206822.tif 000008
【図２】
2009206822.tif 000009
【図３】
2009206822.tif 000010
【図４】
2009206822.tif 000011
【図５】
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【図６】
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【図７】
2009206822.tif 000014
【図８】
2009206822.tif 000015
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
2009206822.tif 000025
【図１９】
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【図２０】
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