特許 6786377 光学部品およびそれを用いた撮像システム

(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】6786377

(24)【登録日】2020年10月30日

(45)【発行日】2020年11月18日

(54)【発明の名称】光学部品およびそれを用いた撮像システム

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/00 20060101AFI20201109BHJP

   G02B 3/08 20060101ALI20201109BHJP

   H04N 5/225 20060101ALI20201109BHJP

   H04N 5/232 20060101ALI20201109BHJP

   G03B 15/00 20060101ALI20201109BHJP

   G03B 11/00 20060101ALI20201109BHJP

【ＦＩ】

   G02B5/00 Z

   G02B3/08

   H04N5/225

   H04N5/232

   G03B15/00

   G03B11/00

【請求項の数】8

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2016-247454(P2016-247454)

(22)【出願日】2016年12月21日

(65)【公開番号】特開2018-101065(P2018-101065A)

(43)【公開日】2018年6月28日

【審査請求日】2019年4月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000198

【氏名又は名称】特許業務法人湘洋内外特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】太田 光彦

(72)【発明者】

【氏名】島野 健

【審査官】 山▲崎▼ 和子

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１５／１６６５３９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１４／１５５７９０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１６−２０６２３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１５／１４６５０６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１５／１５５８４２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ５／００−５／１３６

Ｇ０２Ｂ ３／００、５／１８、５／３０

Ｇ０３Ｂ １１／００−１１／０６

Ｇ０３Ｂ １５／００−１５／０３５

１５／０６−１５／１６

Ｈ０４Ｎ ５／２２２−５／２５７

Ｈ０４Ｎ ５／２３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光学系を透過する光束に所定の位相を与える複数の輪帯を含む光学部品であって、
それぞれの前記輪帯において当該光学部品の内周側の面の面積が、外周側の面の面積に対して０．９〜１．１倍であって、
当該光学部品の半径方向に沿った断面において、各輪帯の外周端における接線の傾角が内周端における接線の傾角に対して０．９〜１．１倍であること、
を特徴とする光学部品。

【請求項2】

請求項１に記載の光学部品であって、前記輪帯の断面形状が凸形状であること、
を特徴とする光学部品。

【請求項3】

請求項１に記載の光学部品であって、前記輪帯の断面形状が凹形状であること、
を特徴とする光学部品。

【請求項4】

請求項１に記載の光学部品であって、前記光学部品の内周側にある前記輪帯の外周端は当該外周端の外周側にある前記輪帯の内周端と接続すること、
を特徴とする光学部品。

【請求項5】

請求項１に記載の光学部品であって、前記複数の輪帯のうち最内周にある輪帯を除く前記輪帯の内周端における前記傾角は、当該輪帯より内周側にある輪帯の内周端における前記傾角より大きいこと、
を特徴とする光学部品。

【請求項6】

請求項１に記載の光学部品であって、前記複数の輪帯のうち最内周にある輪帯は、前記位相を付加しない輪帯である、
ことを特徴とする光学部品。

【請求項7】

請求項１〜６の光学部品のうち少なくともいずれか一つを含む撮像光学系。

【請求項8】

請求項７に記載の前記撮像光学系において取得した画像情報に対し、所定の信号処理を行う画像処理部を備えること、
を特徴する撮像システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光学部品およびそれを用いた撮像システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、光の位相を変調する位相板を光学系の中に配置して、点像分布関数（ＰＳＦ：Ｐｏｉｎｔ Ｓｐｒｅａｄ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）をぼかすことにより合焦点位置からある距離の範囲内で形状を略一定にさせ、撮像素子により取得した光学像の情報に信号処理を施しＰＳＦのぼけを除去することにより、被写界深度または焦点深度を拡大する技術が開示されている。当該技術はＷＦＣ（Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ｃｏｄｉｎｇ）と呼ばれる。また、特許文献２には、ＷＦＣにおいて位相板の形状を光軸に対して回転対称な輪帯構造にする技術が開示されている。また、特許文献３には、輪帯構造の位相板において各輪帯の断面形状を非対称とする技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国特許第５７４８３７１号明細書

【特許文献2】特開２０１４−１９７１１５号公報

【特許文献3】国際公開第２０１５／１６６５３９号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記特許文献１〜特許文献３に記載された技術では、ＰＳＦのぼけを除去する信号処理（復元処理）は一種の先鋭化処理であるが、この先鋭化処理の際に撮像素子の持つ電気的なノイズを増幅してしまうこととなる。

【0005】

本発明の課題は、ＷＦＣにおける電気的なノイズの増幅を抑制する光学部品に係る技術を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本願は、上記課題の少なくとも一部を解決する手段を複数含んでいるが、その例を挙げるならば、以下のとおりである。上記課題を解決すべく、本発明の一態様に係る光学部品は、光学系を透過する光束に所定の位相を与える複数の輪帯を含む光学部品であって、それぞれの前記輪帯において当該光学部品の内周側の面の面積が、外周側の面の面積に対して０．９〜１．１倍であって、当該光学部品の半径方向に沿った断面において、各輪帯の外周端における接線の傾角が内周端における接線の傾角に対して０．９〜１．１倍であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、ＷＦＣにおける電気的なノイズの増幅を抑制し、鮮明で深度の深い画像を得られる光学部品の技術を提供できる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の第一の実施形態に係る撮像システムの構成を示す図である。

【図2】従来の位相板の構成を示す図である。

【図3】従来の位相板が付加する位相を示す図である。

【図4】第一の実施形態に係る位相板が付加する位相の例を示す図である。

【図5】従来の位相板を適用して得られるＰＳＦと第一の実施形態に係る位相板を適用して得られるＰＳＦの例を示す図である。

【図6】テストチャートを示す図である。

【図7】撮像システム別の出力画像の品質を比較するグラフを示す図である。

【図8】撮像システム別の復元処理の際の信号増幅度を比較するグラフを示す図である。

【図9】第一の実施形態に係る位相板の構成を示す図である。

【図10】第二の実施形態に係る位相板の構成を示す図である。

【図11】第三の実施形態に係る位相板の構成を示す図である。

【図12】第四の実施形態に係る位相板の構成を示す図である。

【図13】第五の実施形態に係る位相板の構成を示す図である。

【図14】第五の実施形態に係る位相板が付加する位相の例を示す図である。

【図15】第一の実施形態に係る位相板と第五の実施形態に係る位相板によるＰＳＦの例を示す図である。

【図16】撮像システム別の出力画像の品質を比較するグラフを示す図である。

【図17】撮像システム別の復元処理の際の信号増幅度を比較するグラフを示す図である。

【図18】通常のカメラで自然物を被写体として取得した画像の例を示す図である。

【図19】従来の位相板を用いてＷＦＣで取得した画像の例を示す図である。

【図20】第五実施形態の位相板を用いてＷＦＣで取得した画像の例を示す図である。

【図21】取得画像のＲ、Ｇｒ、Ｇb、Ｂの各色の画素の内Ｇｂ画素の画像の比較例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。

【0010】

また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。

【0011】

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

【0012】

同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

【0013】

また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

【0014】

図１は、本発明の第一の実施形態に係る撮像システムの構成を示す図である。撮像システム１００においては、光学系２と、撮像素子３と、Ａ/Ｄコンバータ４と、ＲＡＷバッファメモリ５と、画像処理部６と、出力部７と、を備える撮像装置が用いられる。光学系２は、前玉レンズ群２３及び後玉レンズ群２４と、絞り２２と、位相板２１と、を備える。

【0015】

絞り２２は、前玉レンズ群２３及び後玉レンズ群２４の間にある。絞り２２は、被写体１から発し、光学系２を透過する光束を適切に絞る役割を果たす。位相板２１は、絞り２２の近傍に設けられている。位相板２１は、光学系２を透過する光束に所定の位相を付加するが、位相を付加しない部位があってもよい。

【0016】

被写体１から発して光学系２に入射した光束は前玉レンズ群２３及び後玉レンズ群２４の機能により、撮像素子３の面上に被写体像を結像する。位相板２１による位相付加の効果により、結像位置の前後の広い範囲で被写体像のぼけは略一定となる。

【0017】

撮像素子３はその面上に複数の画素を有している。この撮像素子３の面上に結像された被写体像は、撮像素子３により画素ごとにアナログ信号に変換され、更にＡ/Ｄコンバータ４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。

【0018】

ＲＡＷバッファメモリ５はＡ/Ｄコンバータ４から得た画像データを格納する。画像処理部６はＲＡＷバッファメモリ５から画像データを受け取り、位相板２１の位相変調に起因する被写体像のぼけを除去するための信号処理を施す。信号処理の方法は、さまざまな公知の処理が含まれる。例えば、空間フィルタを用いる方法であっても良い。補正後の画像は出力部７に供給される。出力部７は、例えばディスプレイや記憶装置、通信装置、プリンタ等の各種のデジタルデータを用いた出力が可能な物であればよい。

【0019】

図２は、従来の位相板の構成を示す図である。図２（ａ）は位相板２１の正面図、図２（ｂ）は位相板２１の半径および直径に沿った断面図を表している。光軸は、図２（ａ）では、紙面に垂直な方向に、図２（ｂ）では上下方向に設定されている。被写体１からの光線は図２（ｂ）の図下方向から図上方向に進むように設定される。

【0020】

また、位相板２１は例えば４つの幅の等しい輪帯から構成されている。輪帯は、位相板２１の内側から第一輪帯２１１、第二輪帯２１２、第三輪帯２１３、第四輪帯２１４が含まれる。各輪帯は断面図において内周端と外周端の間に極大値２１１Ｐ、２１２Ｐ、２１３Ｐ、２１４Ｐを持つ凸形状である。この極大値を取る半径座標は図２（a）において破線で表されている。

【0021】

図３は、従来の位相板が付加する位相を示す図である。図３では、横軸を位相板２１の規格化半径として、縦軸を位相板２１により特定波長に付加される位相としている。付加される位相の大きさは位相板２１の断面の高さに比例するので、縦軸を位相板２１の高さと考えると理解が容易となる。図中r_c1、r_c2、r_c3、r_c4は位相板２１の各輪帯の高さが極大値を取る規格化半径座標を表している。

【0022】

位相板２１が光学系に配置された場合、内周側からi番目の輪帯におけるr_ciより内周側の領域は入射する光を本来のフォーカス位置より手前側（インフォーカス側）、r_ciより外周側の領域は入射する光を本来のフォーカス位置より奥側（アウトフォーカス側）、に拡散させる役割を果たす。ここで各輪帯においてr_ciはr_ciより内周側の領域とr_ciより外周側の領域の面積、すなわち位相付加の対象となる面積が略等しくなるように設定されている。このためフォーカス位置の前後でＰＳＦに貢献する光の量を均等にできる。

【0023】

なお、位相付加の対象となる面積については、r_ciより内周側の領域とr_ciより外周側の領域の面積は等しいことが望ましいが、若干の差異はあってもよい。例えば、内周側の領域は外周側の領域に対して０．９〜１．１倍等の面積の比率であってもよい。

【0024】

図４は、第一の実施形態に係る位相板が付加する位相の例を示す図である。図４のグラフの縦軸、横軸は図３と同様である。また、グラフ中の実線は第一の実施形態に係る付加位相、破線は従来の位相板２１に係る付加位相を示す。第一の実施形態における位相板２５の形状は図９の説明において後述するが、その輪帯数、各輪帯での付加位相の高さの極大値および極大値を取る規格化半径座標については、従来の位相板２１と同じである。

【0025】

第一の実施形態に係る位相板２５においては、位相板の半径方向に沿った断面内において各輪帯の内周端での接線２１１Ｉ、２１２Ｉ、２１３Ｉ、２１４Ｉの傾角θｉと外周端での接線２１１Ｏ、２１２Ｏ、２１３Ｏ、２１４Ｏの傾角θｉ´とが略等しく設定されている点が、従来の位相板２１とは異なる。つまり、従来の位相板２１と比較すると、各輪帯において付加位相の極大値を取る規格化半径座標より外側の領域での付加位相の傾きが緩やかになっている点が異なるといえる。また、任意の輪帯の内周端における傾角θｉは、当該輪帯より内周側にある輪帯の内周端における傾角θｉより大きい。なお、傾角θｉと傾角θｉ´は等しいことが望ましいが、若干の差異はあってもよい。例えば、傾角θi´は傾角θｉに対して０．９〜１．１倍等の比率であってもよい。

【0026】

付加位相の傾きの大きさは光の拡散効果と比例関係にあるので、第一の実施形態に係る位相板２５によれば、フォーカス位置の前後でＰＳＦに貢献する光の量を均等にできるだけでなく、フォーカス位置の前後での光の拡散効果、すなわち、ＰＳＦのぼけ具合も均等にできる。

【0027】

図５は、従来の位相板を適用して得られるＰＳＦと第一の実施形態に係る位相板を適用して得られるＰＳＦの例を示す図である。すなわち、図５は、フォーカス位置前後でのＰＳＦのぼけ具合を従来例と対比して説明するための図である。図５(ａ)は従来の位相板２１によるＰＳＦの例が示されており、図５(ｂ)は第一の実施形態による位相板２５を用いた場合のＰＳＦの例が示されている。それぞれ、横軸は受光面の半径座標、縦軸はＰＳＦの強度を表している。いずれの例においても、光学系のＦ値はＦ＃１．２７と設定している。

【0028】

図５においては、細線はフォーカス位置でのＰＳＦを、太い実線はフォーカス位置より＋０．０９ｍｍ（ミリメートル）の位置のＰＳＦを、太い破線はフォーカス位置より−０．０９ｍｍの位置のＰＳＦを、それぞれ示している。図５においてフォーカス位置、−０．０９ｍｍの位置のＰＳＦの形状は第一の実施形態に係る位相板２５と従来の位相板２１とは殆ど同一だが、＋０．０９ｍｍの位置のＰＳＦは従来の位相板２１よりも第一の実施形態に係る位相板２５の方が値が大きく、すなわちぼけ具合が小さいことを表している。そして＋０．０９ｍｍの位置でのＰＳＦのぼけ具合が小さくなった結果、−０．０９ｍｍの位置におけるＰＳＦと＋０．０９ｍｍの位置におけるＰＳＦとが似た形状になっている。

【0029】

図６は、テストチャートを示す図である。当該テストチャートは、撮像システムの品質を評価するのに統一して用いる意図があり、当該テストチャートそのものは別のチャートや一般的な被写体１でも構わない。

【0030】

図７は、撮像システム別の出力画像の品質を比較するグラフを示す図である。横軸はデフォーカス、縦軸は画像の品質を表す指標ＰＳＮＲ（Ｐｅａｋ Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ）である。当該グラフは、図６に示されたテストチャートを入力画像とし、従来の位相板２１を用いた撮像システムと、第一の実施形態に係る位相板２５を用いた撮像システムと、のそれぞれによる出力画像の品質を計算した結果である。なお、ＰＳＮＲは以下の式で定義される。

【0031】

＜式１＞

【0032】

ここで、Ｍａｘは画像の最大輝度、ｍ,ｎはそれぞれ画像の横方向、縦方向の画素数、Ａ’(ｉ,ｊ)は出力画像、Ａ（ｉ,ｊ）は元画像である。図７中、細線は通常カメラによる出力画像の品質、太い実線は第一の実施形態の位相板２５を用いたＷＦＣ適用カメラでの出力画像の品質、太い破線は従来の位相板２１を用いたＷＦＣ適用カメラでの出力画像の品質を表している。いずれの系でも光学系のＦ値はＦ＃１．２７、センサの画素ピッチは５．５μｍ（マイクロメートル）と設定しており、電気的なノイズは含まれないものとして計算している。

【0033】

ＰＳＮＲ３５ｄＢ以上を焦点の範囲とすると、通常カメラの焦点深度は約０．０３ｍｍ、第一の実施形態に係る位相板２５を用いたカメラ、従来の位相板２１を用いたカメラの焦点深度はいずれも約０．２０ｍｍとなる。つまり、第一の実施形態に係る位相板２５は従来の位相板２１と同等の焦点深度拡大効果を持っているといえる。

【0034】

図８は、撮像システム別の復元処理の際の信号増幅度を比較するグラフを示す図である。横軸は空間周波数、縦軸は信号増幅度である。各撮像システムにおいて、空間周波数ごとの信号増幅度はデフォーカス±（プラスマイナス）０．１ｍｍの間で平均したＰＳＦに対して適切なぼけの除去が行われるように設定している。実線は第一の実施形態に係る位相板２５を用いた場合を、破線は従来の位相板２１を用いた場合を示している。一般にＷＦＣでは復元処理の際に撮像素子の持つ電気的なノイズを増幅する作用が発生し、画質の劣化につながるため、信号増幅度は小さい方が望ましい。

【0035】

図８に示すように、最大の空間周波数９０ｌｐ／ｍｍ（ｌｉｎｅ ｐａｉｒｓ／ｍｍ）では、従来の位相板２１を用いた場合の信号増幅度は３０．３、第一の実施形態に係る位相板２５を用いた場合の信号増幅度は２６．７であり、第一の実施形態に係る位相板２５を用いた場合の信号増幅度は従来の位相板２１を用いた場合よりも減少しているといえる。

【0036】

以上のように、本発明に係る第一の実施形態における位相板２５では、アウトフォーカス側のＰＳＦのぼけを従来例に比べて小さくすることにより、同等の焦点深度拡大効果を維持しつつＷＦＣの信号増幅度を減少させることができる。

【0037】

図９は、第一の実施形態に係る位相板の構成を示す図である。第一の実施形態に係る位相板２５では、従来の位相板２１に比べて、第一輪帯２５１、第二輪帯２５２、第三輪帯２５３、第四輪帯２５４のそれぞれにおいて、外周側に光軸に略平行な面（以降、「立ち壁」と称呼）が立ち壁２５１Ｃ〜２５４Ｃとして設けられている。なお、立ち壁がある場合には、立ち壁の上端を外周端と称呼し、立ち壁の下端を外周側の輪帯の内周端と称呼する。また、位相板２５の透過光は立ち壁によっては位相変更されない。

【0038】

図１０は、第二の実施形態に係る位相板の構成を示す図である。第二の実施形態に係る位相板２６については、第一の実施形態における各輪帯が凸形状であったのに対し、第二の実施形態における各輪帯は凹形状である点において相違する。このような第二の実施形態に係る位相板２６であっても、第一の実施形態と同様に各輪帯の外周端の接線の傾きと内周端の接線の傾きを等しく設定することにより、第一の実施形態に係る位相板と同様の効果が得られる。

【0039】

図１１は、第三の実施形態に係る位相板の構成を示す図である。第三の実施形態に係る位相板２７については、第一の実施形態における位相板２５は各輪帯間に立ち壁が設けられているのに対し、第三の実施形態における位相板２７は当該立ち壁の落差を埋めるように外周側の輪帯が光軸方向にシフト移動された形状である。すなわち、第一輪帯と第二輪帯の境界となる半径座標において、第一輪帯の端点の光軸方向の座標と、第二輪帯の端点の光軸方向の座標とが一致し、第二輪帯と第三輪帯の境界となる半径座標において、第二輪帯の端点の光軸方向の座標と、第三輪帯の端点の光軸方向の座標とが一致する。そして、第三輪帯と第四輪帯の境界となる半径座標において、第三輪帯の端点の光軸方向の座標と、第四輪帯の端点の光軸方向の座標とが一致する。換言すると、輪帯の外周端は、当該外周端の外周側にある輪帯の内周端部と接続しているといえる。また、各輪帯の外周端は、当該輪帯の内周端よりも高い位置にある。

【0040】

また、第一輪帯の内周側の極小値と、第二輪帯の内周側の極小値とは、ｔ１だけ差があり、第一輪帯の内周側の極小値と、第三輪帯の内周側の極小値とは、ｔ１と同じかより大きいｔ２だけ差があり、第一輪帯の内周側の極小値と、第四輪帯の内周側の極小値とは、ｔ２と同じかより大きいｔ３だけ差がある。このような形状であっても、第一の実施形態と略同様の効果が得られる。第三の実施形態に係る位相板２７では、段差となる立ち壁の部分がないので第一の実施形態に係る位相板２５よりも製造が容易であり、光が段差の部分の光軸に垂直な壁に入射した場合でも迷光となることを回避できる点でより活用用途が広いといえる。

【0041】

図１２は、第四の実施形態に係る位相板の構成を示す図である。第四の実施形態に係る位相板２８については、第一の実施形態に係る位相板２１にレンズ機能が付加されている。図中の破線がレンズ機能を与える湾曲面２８１を示している。ＰＳＦをぼかすための位相付加部２８２は、この湾曲面２８１の上に追加されるように設定されている。つまり本実施形態においては実際の面形状からレンズ機能を与えるための湾曲面２８１の面形状を取り除いた面形状において、各輪帯の外周端の接線の傾きと内周端の接線の傾きが等しく設定されている。

【0042】

換言すると、第一の実施形態に係る位相板２１の上面の形状を所定の関数ｆ（ｒ）で示し、湾曲面２８１の形状を所定の関数ｇ（ｒ）で示すとするならば、第四の実施形態に係る位相板２８の位相付加部２８２の上面の形状はｇ（ｒ）＋ｆ（ｒ）により表される関係が成立する。この面形状の設定によりレンズと位相板が一体となった低価格化で省スペース化が可能な光学部品において第一の実施形態に係る光学系と同様の効果が得られる。

【0043】

図１３は、第五の実施形態に係る位相板の構成を示す図である。第五の実施形態に係る位相板２９では、輪帯が外周側ほど高い。すなわち、各輪帯の極大値が、外周側の輪帯ほど大きいものとなる。また、第一輪帯２９１の極大値は、第一輪帯２９１の極小値と同じ、すなわち平坦であってもよい。具体的には、第一輪帯２９１の極大値と第二輪帯の極大値の差ｔ１は、第一輪帯２９１の極大値と第三輪帯の極大値の差ｔ２と同じかより小さく、第一輪帯２９１の極大値と第三輪帯の極大値の差ｔ２は、第一輪帯２９１の極大値と第四輪帯の極大値の差ｔ３と同じかより小さいものであればよい。

【0044】

図１４は、第五の実施形態に係る位相板が付加する位相の例を示す図である。グラフの縦軸、横軸は図３のグラフと同様に、それぞれ規格化半径、付加位相である。第五の実施形態に係る位相板２９においては外周側ほど輪帯が高くなるように設定されており、各輪帯の内周端での接線の傾きと外周端での接線の傾きは等しく設定されている。但し最内周の輪帯（第一輪帯２９１）には位相付加部は設けられていない。つまり第一輪帯２９１の位相付加部の高さは0mm、付加位相は0λである。しかし、これに限られず、第一輪帯２９１はわずかに、あるいは第二輪帯よりも少ない位相を付加するものであってもよい。なお、立ち壁の有無はいずれであってもよい。

【0045】

図１５は、第一の実施形態に係る位相板と第五の実施形態に係る位相板によるＰＳＦの例を示す図である。図１５では、外周側ほど輪帯が高くなるように設定することにより焦点深度拡大効果を維持したままＰＳＦのぼけを小さくできることを、ＰＳＦを用いて説明する。図１５のグラフは横軸がデフォーカス、縦軸がＰＳＦの中心の強度を表している。図１５（ａ）に係るグラフは、第一の実施形態に係る位相板２５により形成されるＰＳＦの中心強度を表すグラフであり、図１５（ｂ）に係るグラフは、第五の実施形態に係る位相板２９により形成されるＰＳＦの中心強度を表すグラフである。

【0046】

図１５の各グラフにおいて、各輪帯の形成するＰＳＦと、各ＰＳＦの総和として位相板全体の形成するＰＳＦに対応する線と、が示されている。図１５（ａ）に示されるように、各輪帯によるＰＳＦには、フォーカス位置前後で中心強度が概略一定になる範囲が存在する。結果として総和としてのＰＳＦの中心強度も概略一定となるが、この範囲がＷＦＣにより得られる焦点深度に相当する。この総和としてのＰＳＦは中心強度の値が低い程ぼけが大きいことを意味する。なお、このような中心強度が概略一定になる範囲は、デフォーカスのマイナス方向において総和としてのＰＳＦの中心強度が単調減少を始める位置から、デフォーカスのプラス方向において総和としてのＰＳＦの中心強度が単調減少を始める位置までと規定することができる。

【0047】

図１５（ａ）において各ＰＳＦの中心強度が概略一定となる範囲に注目すると、輪帯が内周側になるほど広い。また、輪帯が内周側になるほど総和としてのＰＳＦの中心強度への影響は小さい。このため最外周の輪帯の高さが一定であれば、外周側ほど輪帯が高くなるように（内周側ほど輪帯が低くなるように）設定しても焦点深度拡大効果を維持できる。

【0048】

図１５（ｂ）においては、第一輪帯、第二輪帯によるＰＳＦの中心強度は略一定となる範囲が第一の実施形態に比べてわずかに狭くなっている反面、当該範囲における強度の平均が大きくなっている。その結果、総和としてのＰＳＦの中心強度は略一定となる範囲が第一の実施形態に係る位相板２５を用いた場合と殆ど変らないままその強度が大きくなる。これは焦点深度拡大効果を維持したままＰＳＦのぼけが小さくなることを意味している。

【0049】

図１６は、撮像システム別の出力画像の品質を比較するグラフを示す図である。第五の実施形態に係る位相板２９を用いた場合のＷＦＣの出力画像の品質を太い実線で示している。設定条件は図７に示した条件と同様であり、図６に示したテストチャートを入力画像としている。通常カメラと従来の位相板２１は、図７と同一の値である。第五の実施形態における焦点深度は約０．２０ｍｍであり、第五の実施形態に係る位相板２９を用いた場合にも従来の位相板２１を用いた場合と同等の焦点深度拡大効果を持っているといえる。

【0050】

図１７は、撮像システム別の復元処理の際の信号増幅度を比較するグラフを示す図である。図１７におけるグラフは、図８と同様に、復元処理の際の信号増幅度を表すグラフである。第五の実施形態に係る位相板２９を用いた場合の値は実線で、従来の位相板２１を用いた場合の値は破線で示している。従来の位相板２１を用いた場合の値は図８と同一の値である。図１７において最大の空間周波数での第五の実施形態の信号増幅度は１６．６であり、従来の位相板２１を用いた場合の信号増幅度３０．３より減少しており、さらに第一の実施形態に係る位相板２５を用いた場合の信号増幅度２６．７よりも減少している。

【0051】

以上のように、第五の実施形態では、従来の位相板２１と同等の焦点深度拡大効果を維持しつつ、第一の実施形態よりもさらに信号増幅度を減少させることができる。つまり電気的なノイズ増幅をより抑制することができる。

【0052】

図１８〜図２１に、本発明に係る電気的なノイズの抑制効果を検証するための実験結果を示す。実験に用いたカメラはいずれもＦ値がＦ＃１．２７のレンズ、画素数が横１９２０×縦１０８０ピクセル、画素ピッチ２．７５μｍでＢａｙｅｒフィルタの設置された撮像素子を使用している。

【0053】

図１８は、通常のカメラで自然物を被写体として取得した画像の例を示す図である。ピントは画像内右側のスポークパターンに設定している。図１８において電気的なノイズによる品質劣化は視認できないが、ピントよりも手前にある物体（色鉛筆の先端）、ピントより奥にある物体(「日立」の張り紙)にはぼけが発生している。

【0054】

図１９は、従来の位相板２１を用いてＷＦＣで取得した画像の例を示す図である。画像内の手前にある物体（色鉛筆）にも奥にある物体（張り紙）にも合焦しており、焦点深度拡大効果が確認できる。しかし、電気的なノイズによる品質の劣化（画像全面に渡る粒状のノイズの出現）が明らかである。

【0055】

図２０は、第五実施形態の位相板２９を用いてＷＦＣで取得した画像の例を示す図である。焦点深度拡大効果は従来の位相板２１を用いた場合と同様に確認できる。また、電気的なノイズによる品質の劣化は視認できるものの、従来の位相板２１を用いた場合よりは小さくなっていることが明らかである。

【0056】

図２１は、通常カメラによる取得画像のＲ、Ｇｒ、Ｇb、Ｂの各色の画素の内Ｇｂ画素の画像の比較例を示す図である。図２１（ａ）は、取得画像のＲ、Ｇｒ、Ｇb、Ｂの各色の画素の内Ｇｂ画素のみを取り出した画像である。本実験の被写体１は図２１（ａ）の画像内に像として現れている、階調が一様な厚紙である。

【0057】

各系で取得した画像から図２１（ａ）に正方形の枠で示す縦１９２×横１９２ピクセルの範囲を取り出し、輝度のヒストグラムを作成した。図２１（ｂ−１）は通常カメラで取得した画像の１９２×１９２ピクセルのＧｂ画素の拡大、図２１（ｂ−２）はその輝度のヒストグラムを示す。図２１（ｂ−２）のヒストグラムにおいて標準偏差σ（シグマ）は２．７である。σはノイズの大きさを表す指標となる。

【0058】

図２１（ｃ−１）は従来の位相板２１を用いてＷＦＣにより取得した画像の縦１９２×横１９２ピクセルのＧｂ画素の拡大、図２１（ｃ−２）はその輝度のヒストグラムを示す。図２１（ｃ−２）のヒストグラムにおいてσは３８．０であり、通常カメラに比べてノイズの増幅が明らかである。

【0059】

図２１（ｄ−１）は第五の実施形態に係る位相板２９を用いてＷＦＣにより取得した画像の縦１９２×横１９２ピクセルのＧｂ画素の拡大、図２１（ｄ−２）はその輝度のヒストグラムを示す。図２１（ｄ−２）のヒストグラムにおいてσは２０．１であり、通常カメラに比べてノイズの増幅はあるものの、従来の位相板２１を用いた場合に比べて抑制されているといえる。

【0060】

以上が、本発明に係る第一から第五の実施形態である。第一から第五の実施形態に係る構成光学部品、撮像システムによれば、ＷＦＣにおける電気的なノイズの増幅を抑制可能となる。

【0061】

なお、本発明は上記の実施の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、上記した実施形態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。

【0062】

また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態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。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。

【0063】

また、上記の各構成、機能等の一部は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に格納しておき、実行時にＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等に読み出され、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等により実行することができる。

【0064】

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

【0065】

また、上記した各構成、機能、処理部等は、それらの一部又は全部を、例えば別の装置で実行してネットワークを介して統合処理する等により分散システムで実現してもよい。

【0066】

また、上記した実施形態の技術的要素は、単独で適用されてもよいし、プログラム部品とハードウェア部品のような複数の部分に分けられて適用されるようにしてもよい。

【0067】

以上、本発明について、実施形態を中心に説明した。

【符号の説明】

【0068】

１・・・被写体、２・・・光学系、３・・・撮像素子、４・・・Ａ／Ｄコンバータ、５・・・ＲＡＷバッファメモリ、６・・・画像処理部、７・・・出力部、２１・・・位相板、２２・・・絞り、２３・・・前玉レンズ群、２４・・・後玉レンズ群、２５，２６，２７，２８，２９・・・位相板

【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】

【図19】

【図20】

【図21】