特許 5809387 撮像装置および電子機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5809387

(24)【登録日】2015年9月18日

(45)【発行日】2015年11月10日

(54)【発明の名称】撮像装置および電子機器

(51)【国際特許分類】

   G02B 13/00 20060101AFI20151021BHJP

   H04N 5/225 20060101ALI20151021BHJP

   H04N 5/238 20060101ALI20151021BHJP

【ＦＩ】

   G02B13/00

   H04N5/225 D

   H04N5/238 Z

【請求項の数】6

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2009-16754(P2009-16754)

(22)【出願日】2009年1月28日

(65)【公開番号】特開2010-79238(P2010-79238A)

(43)【公開日】2010年4月8日

【審査請求日】2011年12月27日

【審判番号】不服2014-13792(P2014-13792/J1)

【審判請求日】2014年7月15日

(31)【優先権主張番号】特願2008-220333(P2008-220333)

(32)【優先日】2008年8月28日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100094053

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 隆久

(72)【発明者】

【氏名】杉田 丈也

(72)【発明者】

【氏名】林 佑介

(72)【発明者】

【氏名】大原 直人

【合議体】

【審判長】 西村 仁志

【審判官】 樋口 信宏

【審判官】 山村 浩

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−１２２５１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１２４５６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１３９２４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１７１５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１６９０９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−３３１９４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

G02B 13/00

H04N 5/225

H04N 5/238

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

収差を発生させる収差制御機能を有する収差制御部を含む収差制御光学系と、
前記収差制御光学系を通過する光束を制限し、開口径を可変とする絞りと、
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、を有し、
前記収差制御光学系の球面収差特性は、
球面収差カーブに３つ以上の変曲点を有して、当該球面収差カーブの各変曲点における振幅量が中心部から周辺部にかけて徐々に大きくなる特性を有し、
最も明るいＦ値の時に光線が通過する収差制御部の領域と最も暗いＦ値の時に光線が通過する収差制御部の領域の間であって、前記絞りの何れの口径においても複数の変曲点を有して、深度拡張効果を発現する
撮像装置。

【請求項2】

前記収差制御光学系のディフォーカスに対するＭＴＦ特性において、任意の周波数の主像面シフト領域で複数のピークを持つ
請求項１に記載の撮像装置。

【請求項3】

前記収差制御光学系は、
前記収差制御機能を有する収差制御部が前記絞りに隣接して配置されている
請求項１または２に記載の撮像装置。

【請求項4】

前記収差制御光学系の球面収差特性は、
前記可変絞りが開放の口径の場合に光線が通過する領域から前記収差制御機能による深度拡張効果を有する最小の絞り径の場合に光線が通過する領域を除く領域で一つ以上の変曲点を有する
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】

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し、前記収差制御光学系の収差により低下した画像特性を向上させる画像処理部を有する
請求項１から４のいずれか一に記載の撮像装置。

【請求項6】

撮像装置を有し、
前記撮像装置は、
収差を発生させる収差制御機能を有する収差制御部を含む収差制御光学系と、
前記収差制御光学系を通過する光束を制限し、開口径を可変とする絞りと、
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、を有し、
前記収差制御光学系の球面収差特性は、
球面収差カーブに３つ以上の変曲点を有して、当該球面収差カーブの各変曲点における振幅量が中心部から周辺部にかけて徐々に大きくなる特性を有し、
最も明るいＦ値の時に光線が通過する収差制御部の領域と最も暗いＦ値の時に光線が通過する収差制御部の領域の間であって、前記絞りの何れの口径においても複数の変曲点を有して、深度拡張効果を発現する
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、光学系を備えた撮像装置および電子機器に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年急峻に発展を遂げている情報のデジタル化に相俟って映像分野においてもその対応が著しい。
特に、デジタルカメラに象徴されるように撮像面は従来のフィルムに変わって固体撮像素子であるＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ），ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサが使用されているのが大半である。

【0003】

このように、撮像素子にＣＣＤやＣＭＯＳセンサを使った撮像レンズ装置は、被写体の映像を光学系により光学的に取り込んで、撮像素子により電気信号として抽出するものであり、デジタルスチルカメラの他、ビデオカメラ、デジタルビデオユニット、パーソナルコンピュータ、携帯電話機、携帯情報端末（ＰＤＡ：Ｐｅｒｓｏｎａｌ ＤｉｇｉｔａｌＡｓｓｉｓｔａｎｔ）、画像検査装置、自動制御用産業カメラ等に用いられている。

【0004】

図１７は、一般的な撮像レンズ装置の構成および光束状態を模式的に示す図である。
この撮像レンズ装置１は、光学系２とＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子３とを有する。
光学系は、物体側レンズ２１，２２、絞り２３、および結像レンズ２４を物体側（ＯＢＪＳ）から撮像素子３側に向かって順に配置されている。

【0005】

撮像レンズ装置１においては、図１７に示すように、ベストフォーカス面を撮像素子面上に合致させている。
図１８（Ａ）〜（Ｃ）は、撮像レンズ装置１の撮像素子３の受光面でのスポット像を示している。

【0006】

また、位相板により光束を規則的に分散し、デジタル処理により復元させ被写界深度の深い画像撮影を可能にする等の撮像装置が提案されている（たとえば非特許文献１，２、特許文献１〜５参照）。
また、伝達関数を用いたフィルタ処理を行うデジタルカメラの自動露出制御システムが提案されている（たとえば特許文献６参照）。

【0007】

また、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどの画像入力機能を持った装置においては、たとえば風景など、所望の映像とともに、バーコード等の近接静止画像を読み取ることが、極めて有用であることが多い。
バーコードの読み取りは、たとえば第一の例としてレンズを繰り出すオートフォーカスでピントを合わせる技術や、第二の例として深度拡張技術としては、たとえばカメラにおいてＦ値を絞ることで被写界深度を広げて固定ピントとしているものがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】ＵＳＰ６，０２１，００５

【特許文献2】ＵＳＰ６，６４２，５０４

【特許文献3】ＵＳＰ６，５２５，３０２

【特許文献4】ＵＳＰ６，０６９，７３８

【特許文献5】特開２００３−２３５７９４号公報

【特許文献6】特開２００４−１５３４９７号公報

【非特許文献】

【0009】

【非特許文献1】“Wavefront Coding;jointly optimized optical and digital imaging systems”,Edward R.Dowski,Jr.,Robert H.Cormack,Scott D.Sarama.

【非特許文献2】“Wavefront Coding;A modern method of achieving high performance and/or low cost imaging systems”,Edward R.Dowski,Jr.,Gregory E.Johnson.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

上述した各文献にて提案された撮像装置においては、その全ては通常光学系に上述の位相板を挿入した場合のＰＳＦ（Ｐｏｉｎｔ−Ｓｐｒｅａｄ−Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）が物体距離によらず一定になっていることが前提であり、ＰＳＦが変化した場合は、その後のカーネルを用いたコンボリューションにより、被写界深度の深い画像を実現することは極めて難しい。
したがって、単焦点でのレンズではともかく、ズーム系やＡＦ系などのレンズでは、その光学設計の精度の高さやそれに伴うコストアップが原因となり採用するには大きな問題を抱えている。
換言すれば、従来の撮像装置においては、適正なコンボリューション演算を行うことができず、ワイド（Ｗｉｄｅ）時やテレ（Ｔｅｌｅ）時のスポット（ＳＰＯＴ）像のズレを引き起こす非点収差、コマ収差、ズーム色収差等の各収差を無くす光学設計が要求される。
しかしながら、これらの収差を無くす光学設計は光学設計の難易度を増し、設計工数の増大、コスト増大、レンズの大型化の問題を引き起こす。

【0011】

また、上述した技術では、画像復元処理が前提となっていて画像処理に伴うノイズ、コストの増加が問題となる。さらに復元処理には光学的伝達関数（ＯＴＦ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）が物体距離に依存してはならないため、アウトフォーカスしてもＯＴＦが一定となる光学系を設計しなければならない。
また、ある特性のＦ値に対し深度拡張を実現しても、通常、絞り径を変化させることで、深度拡張作用は失われる、もしくは効率が著しく落ちるという不利益がある。

【0012】

本発明は、光学系を簡単化でき、コスト低減を図ることができることはもとより、画像復元処理を施さなくても深度拡張することができ、絞り径を変化させても深度拡張機能の低下を防止することが可能な撮像装置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】

【0013】

本発明の第１の観点の撮像装置は、収差を発生させる収差制御機能を有する収差制御部を含む収差制御光学系と、前記収差制御光学系を通過する光束を制限し、開口径を可変とする絞りと、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、を有し、前記収差制御光学系の球面収差特性は、球面収差カーブに３つ以上の変曲点を有して、当該球面収差カーブの各変曲点における振幅量が中心部から周辺部にかけて徐々に大きくなる特性を有し、最も明るいＦ値の時に光線が通過する収差制御部の領域と最も暗いＦ値の時に光線が通過する収差制御部の領域の間であって、前記絞りの何れの口径においても複数の変曲点を有して、深度拡張効果を発現する。

【0014】

好適には、前記収差制御光学系のディフォーカスに対するＭＴＦ特性において、任意の周波数の主像面シフト領域で複数のピークを持つ。

【0016】

好適には、前記収差制御光学系は、前記収差制御機能を有する収差制御部が前記絞りに隣接して配置されている。

【0018】

好適には、前記収差制御光学系の球面収差特性は、前記可変絞りが開放の口径の場合に光線が通過する領域から前記収差制御機能による深度拡張効果を有する最小の絞り径の場合に光線が通過する領域を除く領域で一つ以上の変曲点を有する。

【0021】

好適には、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し、前記収差制御光学系の収差により低下した画像特性を向上させる画像処理部を有する。

【0022】

本発明の第２の観点の電子機器は、撮像装置を有し、前記撮像装置は、収差を発生させる収差制御機能を有する収差制御部を含む収差制御光学系と、前記収差制御光学系を通過する光束を制限し、開口径を可変とする絞りと、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、を有し、前記収差制御光学系の球面収差特性は、球面収差カーブに３つ以上の変曲点を有して、当該球面収差カーブの各変曲点における振幅量が中心部から周辺部にかけて徐々に大きくなる特性を有し、最も明るいＦ値の時に光線が通過する収差制御部の領域と最も暗いＦ値の時に光線が通過する収差制御部の領域の間であって、前記絞りの何れの口径においても複数の変曲点を有して、深度拡張効果を発現する。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、光学系を簡単化でき、コスト低減を図ることができることはもとより、画像復元処理を施さなくても深度拡張することができ、絞り径を変化させても深度拡張機能の低下を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【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図である。

【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】通常光学系および本実施形態に係る収差制御光学系のディフォーカスに対するＭＴＦの状態を示す図である。

【図8】高周波のＯＴＦ変動を抑えた収差制御光学系における任意の周波数でディフォーカスに対するＭＴＦが２分できることを示す図である。

【図9】低周波のＯＴＦ変動を抑えた収差制御光学系における任意の周波数でディフォーカスに対するＭＴＦが２分できることを示す図である。

【図10】絞り径の違いによる球面収差とディフォーカスＭＴＦ、および本光学系と通常光学系と深度を比較して示す図である。

【図11】球面収差カーブにおける変曲点の数の違いによる球面収差とディフォーカスＭＴＦを比較して示す図である。

【図12】本実施形態に係る画像処理装置におけるＭＴＦ補正処理を説明するための図である。

【図13】本実施形態に係る画像処理装置におけるＭＴＦ補正処理を具体的に説明するための図である。

【図14】通常の光学系の場合において物体が焦点位置にあるときと焦点位置から外れたときのＭＴＦのレスポンス（応答）を示す図である。

【図15】収差制御素子を有する本実施形態の光学系の場合において物体が焦点位置にあるときと焦点位置から外れたときのＭＴＦのレスポンスを示す図である。

【図16】本実施形態に係る撮像装置の画像処理後のＭＴＦのレスポンスを示す図である。

【図17】一般的な撮像レンズ装置の構成および光束状態を模式的に示す図である。

【図18】図１７の撮像レンズ装置の撮像素子の受光面でのスポット像を示す図であって、（Ａ）は焦点が０．２ｍｍずれた場合（Ｄｅｆｏｃｕｓ＝０．２ｍｍ）、（Ｂ）が合焦点の場合（Ｂｅｓｔ ｆｏｃｕｓ）、（Ｃ）が焦点が−０．２ｍｍずれた場合（Ｄｅｆｏｃｕｓ＝−０．２ｍｍ）の各スポット像を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

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。

【0026】

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図である。
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。

【0027】

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。

【0028】

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、光学系に収差制御部（収差制御面、または収差制御素子）を適用し、収差制御部により収差（本実施形態においては球面収差）を意図的に発生させ、深度拡張機能を有し、かつ、可変絞りの口径を変化させても深度拡張機能を持続する収差制御光学系システムというシステムを採用し、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。
また、撮像装置２００は、上記構成に加えて、ディフォーカスに対する変調伝達関数（ＭＴＦ：Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）において、任意の周波数の主像面シフト領域で１つではなく、２つ以上のピークを持たせることで、ＭＴＦピーク値の低下を抑えつつ深度拡張を可能にする収差制御光学系システムを採用し、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。

【0029】

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。

【0030】

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。
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、第１レンズ２１１、第２レンズ２１２、第３レンズ２１３、可変絞り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。

【0031】

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は可変絞り２１４に隣接していることが好ましい。

【0032】

そして、本実施形態の収差制御光学系２１０Ａの収差特性は、可変絞り２１４の口径が変化しても深度拡張効果（機能）を有する。
ここで、収差制御光学系２１０Ａは、可変絞り２１４の口径を変化させることで複数のＦ値が選択可能であり、選択可能なＦ値のいずれにおいても、収差制御素子または収差制御面の効果により深度拡張を行うことが可能である。
本実施形態の収差制御光学系２１０Ａの収差特性は、可変絞り２１４の有効径内に複数（２つ以上）の変曲点を有する。
さらに、本実施形態の収差制御光学系２１０Ａの収差特性は、可変絞り２１４が開放の口径の場合に光線が通過する領域から収差制御機能による深度拡張効果を有する最小の絞り径の場合に光線が通過する領域を除く領域で一つ以上の変曲点を有する。
換言すると、本実施形態の収差制御光学系２１０Ａの収差特性は、深度拡張作用を期待されるＦ値の中で、最も明るいＦ値の時に光線が通過する収差制御面の領域と最も暗いＦ値の時に光線が通過する収差制御面の領域の間で、一つ以上の変曲点を有する。

【0033】

本実施形態の収差制御光学系２１０Ａにおいては、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し、所定の周波数において偽解像しない主像面シフト領域でディフォーカスに対するＭＴＦ特性が２つ以上のピークを持つ深度拡張光学系として構成される。
一般的な光波面変調機能を用いた深度拡張光学系ではＭＴＦ特性において１つのピークの裾野を広げて深度を拡張するが、これではそれと引き換えにＭＴＦ特性のピーク値が下がってしまう。
本実施形態においては、収差制御機能を用いてピークを複数持つようにすることで、ピーク値の低下を抑えつつ深度拡張を実現できる。
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拡張することができる。
具体的には、本実施形態の収差制御光学系２１０Ａは、主に球面収差を発生させる収差制御素子、または収差制御面によりディフォーカスに対するＭＴＦのピークを複数に分ける（ここでは２分する）ことでアウトフォーカスにおけるＯＴＦの変化を制御でき、深度を拡張することができる。そして、ピークを分割させるために、球面収差に変曲点を持たせる。
上述したように、球面収差に２つ以上の変曲点を適切に持たせることで複数の絞り口径の選択に対し、深度拡張を実現することができる。
そして、上述したように、深度拡張作用を期待されるＦ値の中で、最も明るいＦ値の時に光線が通過する収差制御面の領域と最も暗いＦ値の時に光線が通過する収差制御面の領域の間で、ひとつ以上の変曲点を有することが望ましい。
この構成を採用することにより、Ｆ値を変化させた場合でも効率よく深度拡張作用を得られる。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。
換言すれば、本実施形態に係る収差制御光学系２１０Ａは、ディフォーカスに対するＭＴＦ特性において２つ以上のピークを持つことで被写界深度を拡張する。

【0037】

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。

【0038】

図７（Ａ）〜（Ｃ）は、通常光学系および本実施形態に係る収差制御光学系のディフォーカスに対するＭＴＦの状態を示す図である。
図７（Ａ）は通常光学系のディフォーカスに対するＭＴＦの状態を示し、図７（Ｂ）は本実施形態に係る収差制御光学系のディフォーカスに対するＭＴＦの状態を示し、図７(Ｃ)は１つのピークを拡大したディフォーカスに対するＭＴＦの状態を示している。

【0039】

通常の光学系では、図７（Ａ）に示すように、ピント位置が一つで中心にある。両サイドにある二つ目の山は落ちきって反転しているため、偽解像となる。
そのため、解像する領域は網掛けで示す主像面シフト領域ＭＳＡＲとなる。通常光学系の１つのピークを深度拡張すると、図７(Ｃ)に示すように、ＭＴＦは大きく劣化してしまう。

【0040】

そこで、本実施形態に係る収差制御光学系のディフォーカスに対するＭＴＦでは、図７(Ｂ)に示すように、通常光学系において一つのピークＰＫ１であったのを２つのピークＰＫ１１、ＰＫ１２に分割させている。
ＭＴＦは若干劣化するが、深度は２つに分割したことによって２倍程度に伸びていて、さらにひとつのピークを深度拡張するより劣化を抑えていることがわかる。

【0041】

図８（Ａ）〜（Ｃ）および図９（Ａ）〜（Ｃ）は、本実施形態の収差制御光学系において、球面収差曲線（カーブ）によって任意の周波数でディフォーカスに対するＭＴＦが２分できることを説明する。

【0042】

図８（Ａ）〜（Ｃ）は、高周波のＯＴＦ変動を抑えた収差制御光学系における任意の周波数でディフォーカスに対するＭＴＦが２分できることを示しており、図８（Ａ）が球面収差カーブを示し、図８（Ｂ）が低周波での主像面シフト領域エリアＭＳＡＲのＭＴＦのピークの状態を示し、図８（Ｃ）が高周波での主像面シフト領域エリアＭＳＡＲのＭＴＦのピークの状態を示している。

【0043】

図９（Ａ）〜（Ｃ）は、低周波のＯＴＦ変動を抑えた収差制御光学系における任意の周波数でディフォーカスに対するＭＴＦが２分できることを示しており、図９（Ａ）が球面収差カーブを示し、図９（Ｂ）が低周波での主像面シフト領域エリアＭＳＡＲのＭＴＦのピークの状態を示し、図９（Ｃ）が高周波での主像面シフト領域エリアＭＳＡＲのＭＴＦのピークの状態を示している。

【0044】

図９(Ａ)〜（Ｃ）からわかるように、低周波の深度を伸ばすためには、球面収差の振幅を大きくすれば良い。
振幅の大きさをコントロールすることによって任意の周波数のディフォーカスＭＴＦを２分割することができる。つまり任意の周波数の深度を拡張することができる。

【0045】

なお、本実施形態において、ディフォーカスに対する低周波および高周波とは次のように定義する。
使用する固体撮像素子（撮像素子２２０）の画素ピッチから決まるナイキスト周波数の半分以上の周波数を高周波、半分より低い周波数を低周波とする。
ただし、ナイキスト周波数は下記の通りに定義する。
ナイキスト周波数＝１／（固体撮像素子の画素ピッチ×２）

【0046】

図１０（Ａ）〜（Ｃ）は、絞り径の違いによる球面収差とディフォーカスＭＴＦ、および本光学系と通常光学系と深度を比較して示す図である。
図１０（Ａ）は絞りを開放した状態を示し、図１０（Ｂ）は絞りを中間に絞った状態を示し、図１０（Ｃ）は絞りを絞った状態を示している。

【0047】

絞りを最も開放した状態では、図１０（Ａ）に示すように、複数の変曲点を持つ絞り近傍の収差制御面において光線が通過するために、球面収差カーブにおいても複数の変曲点を持つ。
そこから絞りを狭めても、図１０（Ｂ）および（Ｃ）に示すように、変曲点が少なくともひとつ以上残る状態まで深度拡張作用を持続できる。

【0048】

以上では、主として球面収差曲線（カーブ）に２つの変曲点を持つ場合について説明したが、球面収差カーブに３つ以上の変曲点を持たせることも可能であり、３つ以上の変曲点を持たせる場合、以下に示すような利点がある。

【0049】

２つ以下の変曲点では、像高に対する変曲点領域の割り振りが偏るために、深度拡張する際に周波数毎にピーク位置がずれる現象が生じてしまう。
こうしたケースの場合、物体距離ごとにＰＳＦに含まれる周波数成分の割合が異なるため、物体距離に対応するレンズの特性と合わせた画像処理が必要になる可能性がある。
そこで、球面収差カーブの変曲点を３つ以上とすることにより、ディフォーカスＭＴＦにおけるピークを複数持たせ、また、球面収差カーブの振幅量を中心部から周辺部にかけて徐々に大きくすることで、周波数制御のバランスをとった深度拡張を実現できる。

【0050】

図１１（Ａ）および（Ｂ）は、球面収差カーブにおける変曲点の数の違いによる球面収差とディフォーカスＭＴＦを比較して示す図である。
図１１（Ａ）は変曲点の数が２つの場合を、図１１（Ｂ）は変曲点の数が４つの場合を示している。
図１１（Ａ）に示すように、変曲点２つでは、高周波と低周波でピーク位置が異なる。
これに対して、図１１（Ｂ）に示すように、変曲点４つを適切な振幅量で配置した場合、ピークの位置が周波数によらず同じ位置になる。
すなわち、変曲点が４つの場合、周波数制御のバランスをとった深度拡張を実現できる。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

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。

【0054】

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と、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ２３２と、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。

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

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、可変絞り２１４等を制御し、システム全体の調停制御を司るものである。

【0058】

以下、本実施形態の光学系、画像処理装置の構成および機能について具体的に説明する。

【0059】

本実施形態においては、収差制御光学系を採用し、高精細な画質を得ることが可能で、しかも、光学系を簡単化でき、コスト低減を図ることが可能となっている。

【0060】

画像処理装置２４０は、上述したように、撮像素子２２０による１次画像ＦＩＭを受けて、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コントラストを向上させる処理等を施して高精細な最終画像ＦＮＬＩＭを形成する。

【0061】

画像処理装置２４０のＭＴＦ補正処理は、たとえば図１２の曲線Ａで示すように、本質的に低い値になっている１次画像のＭＴＦを、空間周波数をパラメータとしてエッジ強調、クロマ強調等の後処理にて、図１２中曲線Ｂで示す特性に近づく（達する）ような補正を行う。
図１２中曲線Ｂで示す特性は、たとえば本実施形態のように、収差制御面または収差制御光学素子を用いずに波面を変形させない場合に得られる特性である。
なお、本実施形態における全ての補正は、空間周波数のパラメータによる。

【0062】

本実施形態においては、図１２に示すように、光学的に得られる空間周波数に対するＭＴＦ特性曲線Ａに対して、最終的に実現したいＭＴＦ特性曲線Ｂを達成するためには、それぞれの空間周波数に対し、図１３に示すようにエッジ強調等の強弱を付け、元の画像（１次画像）に対して補正をかける。
たとえば、図１２のＭＴＦ特性の場合、空間周波数に対するエッジ強調の曲線は、図１３に示すようになる。

【0063】

すなわち、空間周波数の所定帯域内における低周波数側および高周波数側でエッジ強調を弱くし、中間周波数領域においてエッジ強調を強くして補正を行うことにより、所望のＭＴＦ特性曲線Ｂを仮想的に実現する。

【0064】

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２４０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。

【0065】

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。

【0066】

図１４は、通常の光学系の場合において物体が焦点位置にあるときと焦点位置から外れたときのＭＴＦのレスポンス（応答）を示す図である。
図１５は、収差制御素子を有する本実施形態の光学系の場合において物体が焦点位置にあるときと焦点位置から外れたときのＭＴＦのレスポンスを示す図である。
また、図１６は、本実施形態に係る撮像装置の画像処理後のＭＴＦのレスポンスを示す図である。

【0067】

図からもわかるように、収差制御面または収差制御素子を有する光学系の場合、物体が焦点位置から外れた場合でもＭＴＦのレスポンスの変化が収差制御面または収差制御素子を挿入してない光学系よりも少なくなる。
この光学系によって結像された画像を、後段の画像処理装置２４０によって画像処理することにより、ＭＴＦのレスポンスを向上させることができる。
ただし、画像処理を行うとノイズが増加してしまう場合には、好適にはＭＴＦのレスポンスを向上させるような画像処理は行わないようにすることも可能である。
上述したように、目的に応じて意図的に収差を発生させる光学系を収差制御光学系という。

【0068】

図１５に示した、収差制御光学系のＯＴＦの絶対値（ＭＴＦ）はナイキスト周波数において０．１以上であることが好ましい。
なぜなら、図１６に示した復元後のＯＴＦを達成するためには画像処理でゲインを上げることになるが、センサのノイズも同時に上げることになる。そのため、ナイキスト周波数付近の高周波ではできるたけゲインを上げずに画像処理を行うことが好ましい。
通常の光学系の場合、ナイキスト周波数でのＭＴＦが０．１以上あれば解像する。
したがって、画像処理前のＭＴＦが０．１以上あれば、画像処理でナイキスト周波数でのゲインを上げずに済む。画像処理前のＭＴＦが０．１未満であると、画像処理後の画像がノイズの影響を大きく受けた画像になるため好ましくない。

【0069】

以上説明したように、本実施形態によれば、可変絞り２１４、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、撮像素子２２０、および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を含み、収差制御光学系２１０Ａの収差特性は、可変絞り２１４の口径が変化しても深度拡張効果（機能）を有する。
収差制御光学系２１０Ａは、可変絞り２１４の口径を変化させることで複数のＦ値が選択可能である。
また、本実施形態の収差制御光学系２１０Ａの収差特性は、可変絞り２１４の有効径内に複数（２つ以上）の変曲点を有する。
本実施形態の収差制御光学系２１０Ａの収差特性は、可変絞り２１４が開放の口径の場合に光線が通過する領域から収差制御機能による深度拡張効果を有する最小の絞り径の場合に光線が通過する領域を除く領域で一つ以上の変曲点を有する。
すなわち、本実施形態の収差制御光学系２１０Ａの収差特性は、深度拡張作用を期待されるＦ値の中で、最も明るいＦ値の時に光線が通過する収差制御面の領域と最も暗いＦ値の時に光線が通過する収差制御面の領域の間で、ひとつ以上の変曲点を有する。

【0070】

したがって、本実施形態によれば、可変絞り２１４の口径を変化させることで複数のＦ値が選択可能であり、選択可能なＦ値のいずれにおいても、収差制御素子または収差制御面の効果により深度拡張を行うことが可能である。
また、球面収差に２つ以上の変曲点を適切に持たせることで複数の絞り口径の選択に対し、深度拡張を実現することができる。
また、Ｆ値を変化させた場合でも効率よく深度拡張作用を得ることが可能となる。
すなわち、本実施形態によれば、画像復元処理を施さなくても深度拡張することができ、絞り径を変化させても深度拡張機能の低下を防止することができる。

【0071】

また、本実施形態によれば、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持つ収差制御素子を含む、もしく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し、所定の周波数において偽解像しない主像面シフト領域でディフォーカスに対するＭＴＦ特性が２つ以上のピークを持つ深度拡張光学系として形成されていることから、以下の効果を得ることができる。

【0072】

本実施形態においては、収差制御機能を用いてディフォーカスに対するＭＴＦ特性において２つ以上のピークを複数持つようにすることで、ピーク値の低下を抑えつつ、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。
また、本実施形態によれば、球面収差カーブの変曲点を３つ以上とすることにより、ディフォーカスＭＴＦにおけるピークを複数持たせ、また、球面収差カーブの振幅量を中心部から周辺部にかけて徐々に大きくすることで、周波数制御のバランスをとった深度拡張を実現できる。

【0073】

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。

【0074】

なお、本実施形態に係る撮像装置２００が適用可能な電子機器としては、情報読み取り装置の他に、デジタルスチルカメラの他、ビデオカメラ、デジタルビデオユニット、パーソナルコンピュータ、携帯電話機、ＰＤＡ、画像検査装置、自動制御用産業カメラ等に適用可能である。

【符号の説明】

【0075】

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・・・可変絞り、２１５・・・第４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、ＭＳＡＲ・・・主像面シフト領域。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】