特許 7103448 撮像装置および情報コード読取装置

(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】

(24)【登録日】2022-07-11

(45)【発行日】2022-07-20

(54)【発明の名称】撮像装置および情報コード読取装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 13/00 20060101AFI20220712BHJP

   G03B 11/00 20210101ALI20220712BHJP

   G02B 5/02 20060101ALI20220712BHJP

   G03B 15/00 20210101ALI20220712BHJP

   G03B 17/02 20210101ALI20220712BHJP

   G06K 7/10 20060101ALI20220712BHJP

   H04N 5/225 20060101ALI20220712BHJP

   H04N 5/232 20060101ALI20220712BHJP

【ＦＩ】

G02B13/00

G03B11/00

G02B5/02 C

G03B15/00 U

G03B17/02

G06K7/10 408

G06K7/10 416

H04N5/225 400

H04N5/232 290

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021014428

(22)【出願日】2021-02-01

(62)【分割の表示】P 2016010086の分割

【原出願日】2016-01-21

(65)【公開番号】P2021081734

(43)【公開日】2021-05-27

【審査請求日】2021-02-08

(73)【特許権者】

【識別番号】000002945

【氏名又は名称】オムロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000947

【氏名又は名称】特許業務法人あーく特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松本 慎也

(72)【発明者】

【氏名】庄 沱

【審査官】殿岡 雅仁

(56)【参考文献】

【文献】特開昭５０－１４２２３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／１４６３８０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１４／２０３１５１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１５／１４６５０６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０１３－５１８４７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０３－２８７２１５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ９／００ － １７／０８

Ｇ０２Ｂ ２１／０２ － ２１／０４

Ｇ０２Ｂ ２５／００ － ２５／０４

Ｈ０４Ｎ ５／２２２ － ５／２５７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

２枚以上のレンズと、これらのレンズのうち隣接するいずれか２枚の間に配置された絞りと、前記レンズのうち最も後方の最終レンズより後方へ配置された光学素子とを有する光学系と、
前記光学素子より後方に配置された撮像素子と、
前記撮像素子で取得された画像データに対して画像処理および復元処理を行う画像復元処理部と、
この画像復元処理部によって復元された画像を出力する復元画像出力部とを備え、
を備え、
前記光学素子は光拡散面を有しており、
前記レンズのうち最も前方の第１レンズの前面から前記絞りまでの第１距離が、前記絞りから前記撮像素子までの第２距離より大きいことを特徴とする撮像装置。

【請求項2】

請求項１に記載の撮像装置において、
前記光拡散面から前記絞りまでの第３距離と前記第２距離とが、０＜前記第３距離＜前記第２距離の関係を満たすことを特徴とする撮像装置。

【請求項3】

請求項１または２に記載の撮像装置において、
前記画像復元処理部は、拡散されて前記撮像素子に入射した点像関数のパターンから作成されたＷｉｅｎｅｒフィルタまたはＦＩＲフィルタを有することを特徴とする撮像装置。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか１項に記載の撮像装置において、
前記光拡散面は、点対称の円環構造で、断面視で不均一にギザギザした連続形状、レンズ形状、バイナリ格子形状、又は回折格子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に記載の撮像装置において、
前記光学素子は取り外し可能であることを特徴とする撮像装置。

【請求項6】

請求項１に記載の撮像装置を備える情報コード読取装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光学系および撮像装置に関し、特に、バーコードや２次元コードなどの情報コードを読み取る情報コード読取装置に好適な光学系および撮像装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、バーコードや２次元コードなどの情報コードの読み取りのために、光学系のフォーカスレンズをピント位置に移動させることで焦点を合わせる方法や、開口絞りを小さくすることでＦ値を大きくし、光学的な被写界深度を拡大させることでピント範囲を拡大する方法が知られている（例えば、特許文献２の明細書の背景技術セクションを参照）。

【0003】

また、光学系の球面収差を意図的に大きくして被写界深度を大きくする手法もある。具体的には、光学系内部に位相板を挿入することで意図的に球面収差を大きくする手法などもある（例えば、特許文献１，２を参照）。

【0004】

一方、光学ディフューザ（光拡散板）を用いて画像を記録するためのシステム、方法、及びメディアも提案されており、光学ディフューザがカメラレンズのアパーチャ（絞り）に配置されている（例えば、特許文献３を参照）。

【0005】

ここで、被写界深度と、光線の方向を示すサジタル（sagittal）およびタンジェンシャル（tangential）について説明しておく。

【0006】

図２２は被写界深度の概略説明図である。

【0007】

この図に示すように、Ｆ値がＦで焦点距離ｆのレンズによってレンズ中心から物体距離ｓの被写体面Ｏ上の点は、レンズ中心から像距離ｓ’の像面Ｏ’上では点として結像するが、像面Ｏ’から前後に外れると円として結像する。この円のことを錯乱円といい、ピントが合っているとみなされる最大径εの円を許容錯乱円という。この許容錯乱円に対応する像面Ｏ’側の範囲を、α₁’とα₂’とを合せて焦点深度α’という。また、この焦点深度α’に対応する被写体面Ｏ側の範囲を、α₁とα₂とを合せて被写界深度αという。

【0008】

また、タンジェンシャル面とは、光軸と主光線とを含む平面であり、面中心から放射状の方向に対応する。サジタル面とは、主光線を含み、タンジェンシャル面に垂直な平面であり、同心円の接線方向に対応する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【文献】特開２００３－２３５７９４号公報

【文献】国際公開第２００９／１１９８３８号

【文献】特許第５５６７６９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

しかし、特許文献１や特許文献２に開示されているような従来技術では、光学系そのものを意図的に収差の大きい設計とする必要があり、それにかかる光学設計の負荷が大きい。また、通常のレンズとして使用することができず、汎用性のない特殊な光学系とする必要があった。

【0011】

また、位相板を用いるものでは、スポット径を光軸方向（焦点深度付近）に略均一にしているものの、画像の中心と周辺のスポット差を完全に一致させることができず、特に、サジタル（sagittal）／タンジェンシャル（tangential）光線を各距離で揃えることは、設計的にも非常に困難であった。

【0012】

さらには、開放に対してＦ値が大きくなるにつれて視野内のサジタルおよびタンジェンシャルの差異が大きく発生し、信号処理における復元時に撮像範囲内の周辺含めた画像状態が均一な状態とならず、画面全域でコード読み取りが求められるようなシーンでは性能上の不利益があった。

【0013】

従来技術のこのような課題に鑑み、本発明の目的は、開発時間が大幅にかかる特殊な光学設計を用いることなく、撮像装置として予め設計されたレンズ光学系に取り外し可能な光拡散板を設置することで、安価で簡単に被写界深度を拡大可能な固定焦点型の撮像装置と、そのような撮像装置の光学系を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0014】

上記目的を達成するため、本発明の撮像装置は、２枚以上のレンズと、これらのレンズのうち隣接するいずれか２枚の間に配置された絞りと、前記レンズのうち最も前方の第１レンズより前方に配置された光学素子とを有する光学系と、前記レンズのうち最も後方の最終レンズより後方に配置された撮像素子とを備え、前記光学素子は光拡散面を有しており、前記第１レンズの前面から前記絞りまでの第１距離が、前記絞りから前記撮像素子までの第２距離より小さいことを特徴とする。さらに、前記光拡散面から前記絞りまでの第３距離と前記第１距離とが、０≦前記第１距離≦前記第３距離の関係を満たすようにしてもよい。

【0015】

または、本発明の撮像装置は、２枚以上のレンズと、これらのレンズのうち隣接するいずれか２枚の間に配置された絞りと、前記レンズのうち最も後方の最終レンズより後方へ配置された光学素子とを有する光学系と、前記光学素子より後方に配置された撮像素子とを備え、前記光学素子は光拡散面を有しており、前記レンズのうち最も前方の第１レンズの前面から前記絞りまでの第１距離が、前記絞りから前記撮像素子までの第２距離より大きいことを特徴とする。さらに、前記光拡散面から前記絞りまでの第３距離と前記第２距離とが、０≦前記第３距離≦前記第２距離の関係を満たすようにしてもよい。

【0016】

ここで、「前」とは光学系へ光線が入射する側（被写体側）であり、「後」とは光学系から光線が出射する側（撮像素子側）である。

【0017】

このような構成の撮像装置によれば、既存のレンズ光学系に取り外し可能な光拡散板を設置することで、安価で簡単に被写界深度を拡大可能な固定焦点型の撮像装置を実現することができる。

【0018】

本発明の撮像装置において、前記撮像素子で取得された画像データに対して画像処理および復元処理を行う画像復元処理部と、この画像復元処理部によって復元された画像を出力する復元画像出力部とをさらに備えてもよい。

【0019】

ここで、前記画像復元処理部は、拡散されて前記撮像素子に入射した点像関数のパターンから作成されたＷｉｅｎｅｒフィルタまたはＦＩＲフィルタを有してもよいが、これらのフィルタに限らない。また、前記光拡散面は、例えば、点対称の円環構造で、不連続の高さピッチ形状またはレンズ形状であってもよいが、これらの形状に限らない。

【0020】

本発明の光学系は、２枚以上のレンズと、これらのレンズのうち隣接するいずれか２枚の間に配置された絞りと、前記レンズのうち最も前方の第１レンズより前方に配置された光学素子とを備え、前記光学素子は光拡散面を有しており、前記第１レンズの前面から前記絞りまでの第１距離が、前記レンズのうち最も後方の最終レンズより後方に配置される撮像素子から前記絞りまでの第２距離より小さいことを特徴とする。

【0021】

または、本発明の光学系は、２枚以上のレンズと、これらのレンズのうち隣接するいずれか２枚の間に配置された絞りと、前記レンズのうち最も後方の最終レンズより後方へ配置された光学素子とを備え、前記光学素子は光拡散面を有しており、前記レンズのうち最も前方の第１レンズの前面から前記絞りまでの第１距離が、前記光学素子より後方に配置される撮像素子から前記絞りまでの第２距離より大きいことを特徴とする。

【0022】

このような構成の光学系によれば、上記のような撮像装置に適した光学系を実現することができる。

【発明の効果】

【0023】

本発明の撮像装置によれば、既存のレンズ光学系に取り外し可能な光拡散板を設置することで、安価で簡単に被写界深度を拡大可能な固定焦点型の撮像装置を実現することができる。

【0024】

また、本発明の光学系によれば、上記のような撮像装置に適した光学系を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明の実施形態１に係る撮像装置１００の概略構成を示すブロック図である。

【図2】撮像装置１００の光学系１１０を拡大した断面図である。

【図3】被写界深度拡大の原理を説明するための光学系１１０の概略構成図である。

【図4】（ａ）は光拡散板１１５の斜視図である。（ｂ）は光拡散板１１５の正面図である。（ｃ）は光拡散板１１５の部分断面図である。（ｄ）は光拡散板１１５の変形例である光拡散板１１５Ａの部分断面斜視図である。

【図5】（ａ）、（ｂ）は光学系１１０に光拡散板１１５がない場合とある場合とで、距離と点拡がり関数（ＰＳＦ：Point spread function）の関係をそれぞれ示す図である。

【図6】（ａ）は光拡散板１１５の拡散角度σの概略説明図である。（ｂ）は撮像素子１２０上でのＰＳＦの角度分布を示すグラフである。

【図7】（ａ）は画像復元処理部１５０で用いられる画像復元フィルタの概略説明図である。（ｂ）は復元フィルタの一例としてＷｉｅｎｅｒフィルタを示す式である。

【図8】（ａ）は、絞り１１３が開放の場合に、光学系１１０の画面内像高による性能劣化を説明するための光学系１１０の概略構成図である。（ｂ）はＭＴＦの空間周波数特性を例示するグラフである。（ｃ）は像高によるＭＴＦの変化をサジタルおよびタンジェンシャル毎にそれぞれ例示するグラフである。（ｄ）はＭＴＦの空間周波数特性をサジタルおよびタンジェンシャル毎にそれぞれ例示するグラフである。

【図9】（ａ）は、Ｆ値が大きい場合に、光学系１１０の画面内像高による性能劣化を説明するための光学系１１０の概略構成図である。（ｂ）はサジタルに対してタンジェンシャルの性能劣化が大きい場合のイメージ図である。（ｃ）は像高によるＭＴＦの変化をサジタルおよびタンジェンシャル毎にそれぞれ例示するグラフである。（ｄ）はＭＴＦの空間周波数特性をサジタルおよびタンジェンシャル毎にそれぞれ例示するグラフである。

【図10】光学系１１０の具体的な設計例を示す概略図である。

【図11】その設計例の光学データである。

【図12】（ａ）、（ｂ）は光拡散板１１５がない場合とある場合との光学特性をそれぞれ例示するグラフである。

【図13】光拡散板１１５がある場合の光学シミュレーション結果である。

【図14】（ａ）は、光学系１１０がａ＞ｂの関係（実施形態１に非該当）である場合において、像高によるＭＴＦの変化を撮像素子１２０上の周辺のサジタルおよびタンジェンシャル毎にシミュレーションによってそれぞれ求めたグラフである。（ｂ）は同じ場合において、ＭＴＦの空間周波数特性を撮像素子１２０上の軸中心と周辺のサジタルおよびタンジェンシャル毎にシミュレーションによってそれぞれ求めたグラフである。

【図15】（ａ）は、光学系１１０がａ＜ｂの関係（実施形態１に該当）である場合において、像高によるＭＴＦの変化を撮像素子１２０上の周辺のサジタルおよびタンジェンシャル毎にシミュレーションによってそれぞれ求めたグラフである。（ｂ）は同じ場合において、ＭＴＦの空間周波数特性を撮像素子１２０上の軸中心と周辺のサジタルおよびタンジェンシャル毎にシミュレーションによってそれぞれ求めたグラフである。

【図16】（ａ）は、光学系１１０がａ＞ｂの関係（実施形態１に非該当）であってＦ値が大きい（Ｆ８．０）場合において、像高によるＭＴＦの変化を撮像素子１２０上の周辺のサジタルおよびタンジェンシャル毎にシミュレーションによってそれぞれ求めたグラフである。（ｂ）は同じ場合において、ＭＴＦの空間周波数特性を撮像素子１２０上の軸中心と周辺のサジタルおよびタンジェンシャル毎にシミュレーションによってそれぞれ求めたグラフである。

【図17】（ａ）は、光学系１１０がａ＜ｂの関係（実施形態１に該当）であってＦ値が大きい（Ｆ８．０）場合において、像高によるＭＴＦの変化を撮像素子１２０上の周辺のサジタルおよびタンジェンシャル毎にシミュレーションによってそれぞれ求めたグラフである。（ｂ）は同じ場合において、ＭＴＦの空間周波数特性を撮像素子１２０上の軸中心と周辺のサジタルおよびタンジェンシャル毎にシミュレーションによってそれぞれ求めたグラフである。

【図18】本発明の実施形態２に係る撮像装置の光学系２１０の断面図である。

【図19】（ａ）は、光学系２１０がａ＜ｂの関係（実施形態２に非該当）である場合において、像高によるＭＴＦの変化を撮像素子１２０上の周辺のサジタルおよびタンジェンシャル毎にシミュレーションによってそれぞれ求めたグラフである。（ｂ）は同じ場合において、ＭＴＦの空間周波数特性を撮像素子１２０上の軸中心と周辺のサジタルおよびタンジェンシャル毎にシミュレーションによってそれぞれ求めたグラフである。

【図20】（ａ）は、光学系２１０がａ＞ｂの関係（実施形態２に該当）である場合において、像高によるＭＴＦの変化を撮像素子１２０上の周辺のサジタルおよびタンジェンシャル毎にシミュレーションによってそれぞれ求めたグラフである。（ｂ）は同じ場合において、ＭＴＦの空間周波数特性を撮像素子１２０上の軸中心と周辺のサジタルおよびタンジェンシャル毎にシミュレーションによってそれぞれ求めたグラフである。

【図21】（ａ）は本発明の実施形態１に係る撮像装置１００の光学系１１０の変形例である光学系１１０Ａの断面図である。（ｂ）は本発明の実施形態２に係る撮像装置の光学系２１０の断面図である。

【図22】被写界深度の概略説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、本発明のいくつかの実施形態を、図面を参照して説明する。

【0027】

＜実施形態１＞
図１は本発明の実施形態１に係る撮像装置１００の概略構成を示すブロック図である。図２は撮像装置１００の光学系１１０を拡大した断面図である。なお、以下の説明では、光学系１１０へ光線が入射する側（被写体側でもある）を「前」（図中では左）、光学系１１０から光線が出射する側を「後」（図中では右）ということとする。

【0028】

図１に示すように、撮像装置１００は、２枚以上のレンズを有する光学系１１０と、この光学系１１０の後方に配置された撮像素子１２０と、この撮像素子１２０から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバーター１３０と、ＲＡＷ画像メモリ１４１とコンボリューション演算部１４２とを有するとともにＡ／Ｄコンバーター１３０から出力されたデジタル信号の画像データに対して画像処理を行う画像処理部１４０と、デコンボリューション演算部１５１を有するとともに画像処理部１４０による画像処理後の画像データに対して復元処理を行う画像復元処理部１５０と、この画像復元処理部１５０によって復元された画像を出力する復元画像出力部１６０とを備えている。

【0029】

撮像素子１２０としては、ＣＣＤセンサー、ＣＭＯＳセンサー、ＭＯＳセンサーなどが挙げられるが、これらに限らない。撮像素子１２０がアナログ信号ではなく、デジタル信号を直接出力できる場合は、Ａ／Ｄコンバーター１３０を省略可能である。

【0030】

画像処理部１４０と画像復元処理部１５０とは、必ずしも独立している必要はなく、１つに統合してもよい。

【0031】

また、図２に示すように、光学系１１０は、後端にマウント部１１１ａと前端部内面にフィルタ溝１１１ｂとを有するとともに交換可能な円筒状のレンズ鏡筒１１１と、このレンズ鏡筒１１１内に前方から順に配置された第１レンズ１１２ａ、第２レンズ１１２ｂ、および第３レンズ（最終レンズ）１１２ｃと、第２レンズ１１２ｂの直前に配置された絞り１１３と、フィルタ溝１１１ｂにねじ込まれたホルダー１１４に保持された光拡散板１１５とを備えている。

【0032】

ここで、この光学系１１０において次のように定める距離ａおよび距離ｂについて、ａ＜ｂであることを特徴とする。

【0033】

ａ：最も前方の第１レンズ１１２ａの前面（第１面）から絞り１１３まで
ｂ：絞り１１３から撮像素子１２０（の撮像面）まで
レンズ鏡筒１１１のマウント部１１１ａとしては、例えばＣマウントが挙げられるが、これに限らない。

【0034】

第１レンズ１１２ａおよび第３レンズ１１２ｃを凸レンズ、第２レンズ１１２ｂを凹レンズとしているが、このような組み合わせに限らないし、全体のレンズ枚数も３枚に限らない。

【0035】

絞り１１３は開口絞りであるが、その配置は必ずしも図示された位置に限らない。

【0036】

ホルダー１１４に保持された光拡散板１１５は、フィルタ溝１１１ｂへのねじ込みが緩む方向に回すことで取り外すことができるので、他の光拡散板や光学素子などに交換することも容易である。

【0037】

図３は被写界深度拡大の原理を説明するための光学系１１０の概略構成図である。図４（ａ）は光拡散板１１５の斜視図である。図４（ｂ）は光拡散板１１５の正面図である。図４（ｃ）は光拡散板１１５の部分断面図である。図４（ｄ）は光拡散板１１５の変形例である光拡散板１１５Ａの部分断面斜視図である。図５（ａ）、（ｂ）は光学系１１０に光拡散板１１５がない場合とある場合とで、距離と点拡がり関数（ＰＳＦ：Point spread function）の関係をそれぞれ示す図である。

【0038】

図３に示すように、光学系１１０の最前面に配置された光拡散板１１５は、その前面１１５ａは平面であるが、その後面が光を拡散する光拡散面１１５ｂとして形成されている。図４（ａ）～（ｃ）に示すように、光拡散面１１５ｂの断面は、不連続の高さピッチでギザギザした連続形状であって、点対称の円環構造である。ただし、このような断面形状に限るわけではなく、例えば、図４（ｄ）に示す光拡散板１１５Ａのようなレンズ形状であってもよい。また、図示されていないが、バイナリ形状や回折格子形状といったものでもよい。光拡散板１１５や光拡散板１１５Ａの材料としては、樹脂またはガラスなど、金型などで成型可能なものが好適である。

【0039】

光拡散板１１５がなければ、図５（ａ）に示すように、合焦距離から少し外れるだけで撮像素子１２０上のスポット径は光線が大きく拡がってしまう。一方、光拡散板１１５があれば、図５（ｂ）に示すように、合焦距離から外れても撮像素子１２０上のスポット径はほとんど拡がらない。つまり、光拡散面１１５ｂを有する光拡散板１１５によって、撮像素子１２０上の光線拡がり（ボケ特性）を距離方向に略一定にすることができる。

【0040】

図６（ａ）は光拡散板１１５の拡散角度σの概略説明図である。図６（ｂ）は撮像素子１２０上でのＰＳＦの角度分布を示すグラフである。

【0041】

図６（ａ）に示すように、光拡散板１１５の拡散角度σは、レンズの射出瞳面から撮像素子１２０上の光線拡がり角として定義される。レンズの射出瞳面から撮像素子１２０までの距離Ｚ、光線拡がり角２σ、および撮像素子１２０上での拡散幅Ｗに基づいて、拡散角度σ（ボケ幅）は次式で計算することができる。

【0042】

σ ＝ ｔａｎ^-1（Ｗ／Ｚ）
ここで、撮像素子１２０上でのＰＳＦの角度分布は、図６（ｂ）に示すように、略ガウス分布（Gaussian distribution）とする。

【0043】

図７（ａ）は画像復元処理部１５０で用いられる画像復元フィルタの概略説明図である。図７（ｂ）は復元フィルタの一例としてＷｉｅｎｅｒフィルタを示す式である。

【0044】

図７（ａ）に示すように、原画像ｆ₀にボケ特性としてＰＳＦ（ｋ）が乗じられるとともにノイズ（ｎ）が加えられることで観測画像ｆが得られる。この関係は、空間領域では次式で表すことができる。

【0045】

ｆ₀＊ｋ＋ｎ ＝ ｆ
また、周波数領域では次式で表すことができる。

【0046】

Ｆ₀・Ｋ＋Ｎ ＝ Ｆ
ここで、Ｆ₀、Ｋ、Ｎ、Ｆはそれぞれ原画像、ＰＳＦ、ノイズ、観測画像に対応する。

【0047】

したがって、この逆過程を辿ることで観測画像ｆから復元画像ｆ_rを生成することが可能となる。具体的には、その逆過程を辿るような周波数領域の復元フィルタ（Ｈ）を予め算出しておき、観測画像Ｆに対して復元フィルタ（Ｈ）を乗じることで復元画像Ｆ_rを生成できる。なお、このことは当業者には一般的な内容なので、詳細な説明は省略する。

【0048】

ボケ特性が画面内（撮像素子１２０の像高内）で均一であれば、復元された画像もピントのあった均一なものとなる。

【0049】

復元フィルタ（Ｈ）としては、例えば、図７（ｂ）に示すようなＷｉｅｎｅｒフィルタが適用できるが、これに限らない。代わりに、ＦＩＲフィルタを用いれば、Ｗｉｅｎｅｒフィルタでの空間演算を近似することでＦＦＴの演算が不要になるので、処理時間が短縮される効果がある。

【0050】

図８（ａ）は、絞り１１３が開放の場合に、光学系１１０の画面内像高による性能劣化を説明するための光学系１１０の概略構成図である。図８（ｂ）はＭＴＦの空間周波数特性を例示するグラフである。図８（ｃ）は像高によるＭＴＦの変化をサジタルおよびタンジェンシャル毎にそれぞれ例示するグラフである。図８（ｄ）はＭＴＦの空間周波数特性をサジタルおよびタンジェンシャル毎にそれぞれ例示するグラフである。

【0051】

図８（ａ）に示すように、光学系１１０に光拡散板１１５や位相板などの素子を挿入すると、図８（ｂ）に示すように、画面内像高による性能劣化が発生する。特に、図８（ｃ）および図８（ｄ）に示すように、視野内でのサジタルとタンジェンシャルとの差違が課題となる。

【0052】

図９（ａ）は、Ｆ値が大きい場合に、光学系１１０の画面内像高による性能劣化を説明するための光学系１１０の概略構成図である。図９（ｂ）はサジタルに対してタンジェンシャルの性能劣化が大きい場合のイメージ図である。図９（ｃ）は像高によるＭＴＦの変化をサジタルおよびタンジェンシャル毎にそれぞれ例示するグラフである。図９（ｄ）はＭＴＦの空間周波数特性をサジタルおよびタンジェンシャル毎にそれぞれ例示するグラフである。

【0053】

図８（ａ）に示した光学系１１０で、図９（ａ）に示すようにＦ値を大きくした場合、画面内像高による性能劣化がさらに大きくなる。例えば、原画像ｆ₀が十文字のとき、図９（ｂ）に示すように、横棒の上下のみにボケが現れることになる。また、図９（ｃ）および図９（ｄ）に示すように、視野内でのサジタルとタンジェンシャルとの差違は、図８（ｃ）および図８（ｄ）のものよりそれぞれ拡大している。

【0054】

図１０は光学系１１０の具体的な設計例を示す概略図である。図１１はその設計例の光学データである。図１２（ａ）、（ｂ）は光拡散板１１５がない場合とある場合との光学特性をそれぞれ例示するグラフである。図１３は光拡散板１１５がある場合の光学シミュレーション結果である。

【0055】

図１０および図１１に示すように、この設計例は焦点距離ｆ＝２０ｍｍ、Ｆ値＝３．０のトリプレットレンズであり、被写体までの距離が３００ｍｍで視野半径が３８．４ｍｍである。光拡散板の拡散角度は０．１°である。

【0056】

光学データの第２列以降の項目は順に、曲率半径、間隔、材料、面半径をそれぞれ示している。なお、曲率半径が無限大とは、そこが平面であることを意味する。

【0057】

光学データの２行目以降の＃０は被写体、＃１は光拡散板１１５の前面、＃２は光拡散板１１５の拡散面、＃３、４は第１レンズ１１２ａの両面、＃５は絞り１１３、＃６、７は第２レンズ１１２ｂの両面、＃８、９は第３レンズ１１２ｃの両面、＃１０は第３レンズ１１２ｃから撮像素子１２０までの距離（空間）、＃１１は撮像素子１２０にそれぞれ対応している。
図１２（ａ）は光拡散板１１５がない場合の光学特性であり、図１２（ｂ）は光拡散板１１５がある場合の光学特性である。

【0058】

また、図１３には光軸方向のデフォーカス範囲における撮像素子１２０上の軸中心と周辺のスポット径を示しており、軸中心および周辺においてもスポット径が略均一となっていることが分かる。

【0059】

図１４（ａ）は、光学系１１０がａ＞ｂの関係（実施形態１に非該当）である場合において、像高によるＭＴＦの変化を撮像素子１２０上の周辺のサジタルおよびタンジェンシャル毎にシミュレーションによってそれぞれ求めたグラフである。図１４（ｂ）は同じ場合において、ＭＴＦの空間周波数特性を撮像素子１２０上の軸中心と周辺のサジタルおよびタンジェンシャル毎にシミュレーションによってそれぞれ求めたグラフである。

【0060】

また、図１５（ａ）は、光学系１１０がａ＜ｂの関係（実施形態１に該当）である場合において、像高によるＭＴＦの変化を撮像素子１２０上の周辺のサジタルおよびタンジェンシャル毎にシミュレーションによってそれぞれ求めたグラフである。図１５（ｂ）は同じ場合において、ＭＴＦの空間周波数特性を撮像素子１２０上の軸中心と周辺のサジタルおよびタンジェンシャル毎にシミュレーションによってそれぞれ求めたグラフである。

【0061】

図８（ｃ）および図８（ｄ）を参照して既に上述したが、光学系１１０がａ＞ｂの関係である場合には、図１４（ａ）に示すように、視野内でのサジタルとタンジェンシャルとの差違が大きくなる。特に、視野周辺でタンジェンシャルのＭＴＦが大きく低下すると、２次元コードの正常な読み取りに支障を来たす恐れがある。

【0062】

一方、実施形態１のように光学系１１０がａ＜ｂの関係である場合には、図１５（ａ）に示すように、視野周辺までサジタルおよびタンジェンシャルのＭＴＦが高く維持されるとともに両者の差も極めて少ないので、２次元コードの読み取りに支障を来たす恐れはない。

【0063】

図１６（ａ）は、光学系１１０がａ＞ｂの関係（実施形態１に非該当）であってＦ値が大きい（Ｆ８．０）場合において、像高によるＭＴＦの変化を撮像素子１２０上の周辺のサジタルおよびタンジェンシャル毎にシミュレーションによってそれぞれ求めたグラフである。図１６（ｂ）は同じ場合において、ＭＴＦの空間周波数特性を撮像素子１２０上の軸中心と周辺のサジタルおよびタンジェンシャル毎にシミュレーションによってそれぞれ求めたグラフである。

【0064】

また、図１７（ａ）は、光学系１１０がａ＜ｂの関係（実施形態１に該当）であってＦ値が大きい（Ｆ８．０）場合において、像高によるＭＴＦの変化を撮像素子１２０上の周辺のサジタルおよびタンジェンシャル毎にシミュレーションによってそれぞれ求めたグラフである。図１７（ｂ）は同じ場合において、ＭＴＦの空間周波数特性を撮像素子１２０上の軸中心と周辺のサジタルおよびタンジェンシャル毎にシミュレーションによってそれぞれ求めたグラフである。

【0065】

図９（ｃ）および図９（ｄ）を参照して既に上述したが、光学系１１０がａ＞ｂの関係である場合には、図１６（ａ）に示すように、視野内でのサジタルとタンジェンシャルとの差違がさらに大きくなり、特に視野周辺でのタンジェンシャルのＭＴＦの大きな低下によって、２次元コードの正常な読み取りに支障を来たす恐れが高くなる。

【0066】

一方、実施形態１のように光学系１１０がａ＜ｂの関係である場合には、図１７（ａ）に示すように、視野周辺までサジタルおよびタンジェンシャルのＭＴＦが高く維持されるとともに両者の差も極めて少ないので、２次元コードの読み取りに支障を来たす恐れがない。

【0067】

以上で説明した実施形態１によれば、画像の周辺含む像高全域でのスポットサイズを略均一にすることができるので、復元画像においても被写界深度を拡大した良好な画像を得ることが可能となる。

【0068】

既存光学系を利用するため、光学系の構成をより単純化でき、画像全体でのスポットサイズを略均一にすることが可能であり、信号処理における復元画像をより良好な画像を提供することが可能である。また、新たに被写界深度拡大専用のレンズ設計・成型をすることなく、イニシャルコストのかかる金型など成型することもなく、既製品のレンズに対して光拡散板を追加部品として使用できるので、非常に安価にシステムを構築することが可能となる。

【0069】

工場などの検査設備に設置した場合、背景技術セクションで言及した先行文献のように光学系内部へ位相板を組み込んでいるものでは、予め被写界深度が深くなっているため、ベスト位置（被写界深度の中心）へのフォーカス調整が行い難いのに対して、本発明の実施形態１によれば、光拡散板１１５を外した状態でフォーカス位置の初期調整ができ、詳しい光学知識がなくても容易にセッティングを行うことができる。

【0070】

また、検査用カメラを使用する際、工場内では定常的な振動が多く、Ｆ値を大きくして被写界深度を拡大したり、シャッタースピードを早くすることが考えられる。しかしＦ値を大きくすると明るさが足りなくなり、振動の影響を抑制できる高速なシャッタースピードの実現が困難になる。本発明の実施形態１によれば、Ｆ値（明るさ）を変えることなく被写界深度拡大が可能になる。

【0071】

＜実施形態２＞
上述した実施形態１に係る撮像装置１００の光学系１１０を異なる構成の光学系２１０に置換した撮像装置を、本発明の実施形態２として以下で説明する。なお、同じ構成部材などには同じ参照符号を付し、主として相違点について説明する。

【0072】

図１８は本発明の実施形態２に係る撮像装置の光学系２１０の断面図である。

【0073】

図１８に示すように、光学系２１０は、後端にマウント部２１１ａとその近傍内面にフィルタ溝２１１ｂとを有するとともに交換可能な円筒状のレンズ鏡筒２１１と、このレンズ鏡筒２１１内に前方から順に配置された第１レンズ２１２ａ、第２レンズ２１２ｂ、第３レンズ１１２ｃ、および第４レンズ（最終レンズ）２１２ｄと、第４レンズ２１２ｄの直前に配置された絞り１１３と、フィルタ溝２１１ｂにねじ込まれたホルダー１１４に保持された光拡散板１１５とを備えている。

【0074】

ここで、この光学系２１０において次のように定める距離ａおよび距離ｂについて、ａ＞ｂであることを特徴とする。

【0075】

ａ：最も前方の第１レンズ２１２ａの前面（第１面）から絞り１１３まで
ｂ：絞り１１３から撮像素子１２０（の撮像面）まで
図１９（ａ）は、光学系２１０がａ＜ｂの関係（実施形態２に非該当）である場合において、像高によるＭＴＦの変化を撮像素子１２０上の周辺のサジタルおよびタンジェンシャル毎にシミュレーションによってそれぞれ求めたグラフである。図１９（ｂ）は同じ場合において、ＭＴＦの空間周波数特性を撮像素子１２０上の軸中心と周辺のサジタルおよびタンジェンシャル毎にシミュレーションによってそれぞれ求めたグラフである。

【0076】

また、図２０（ａ）は、光学系２１０がａ＞ｂの関係（実施形態２に該当）である場合において、像高によるＭＴＦの変化を撮像素子１２０上の周辺のサジタルおよびタンジェンシャル毎にシミュレーションによってそれぞれ求めたグラフである。図２０（ｂ）は同じ場合において、ＭＴＦの空間周波数特性を撮像素子１２０上の軸中心と周辺のサジタルおよびタンジェンシャル毎にシミュレーションによってそれぞれ求めたグラフである。

【0077】

光学系２１０がａ＜ｂの関係である場合には、図１９（ａ）に示すように、視野内でのサジタルとタンジェンシャルとの差違が大きくなる。特に、視野周辺でタンジェンシャルのＭＴＦが大きく低下すると、２次元コードの正常な読み取りに支障を来たす恐れがある。

【0078】

一方、実施形態２のように光学系２１０がａ＞ｂの関係である場合には、図２０（ａ）に示すように、視野周辺までサジタルおよびタンジェンシャルのＭＴＦが高く維持されるとともに両者の差も極めて少ないので、２次元コードの読み取りに支障を来たす恐れはない。

【0079】

以上で説明した実施形態２によっても、実施形態１と同様の効果を奏することができる。

【0080】

＜各実施形態の変形例や光拡散板１１５の位置について＞
図２１（ａ）は本発明の実施形態１に係る撮像装置１００の光学系１１０の変形例である光学系１１０Ａの断面図である。図２１（ｂ）は本発明の実施形態２に係る撮像装置の光学系２１０の断面図である。なお、光学系１１０Ａは、絞り１１３が第２レンズ１１２ｂの直前ではなく直後に配置されている点で光学系１１０と異なっている。

【0081】

上述した実施形態１や図２１（ａ）のように、距離ａおよび距離ｂがａ＜ｂの関係を満たしている場合、特に距離ａおよび距離ｂにあまり大きな差が無いときは、次のように定める距離ｃも含めて、０≦ａ≦ｃの関係を満たすようにする。さらに、この関係を満たしながらｃをできるだけ小さくする方が好ましい。

【0082】

ｃ：光拡散板１１５の光拡散面１１５ｂから絞り１１３まで
上述した実施形態２や図２１（ｂ）のように、距離ａおよび距離ｂがａ＞ｂの関係を満たしている場合、特に距離ａおよび距離ｂにあまり大きな差が無いときは、上記の距離ｃも含めて、０≦ｃ≦ｂの関係を満たすようにする。さらに、この関係を満たしながらｃをできるだけ小さくする方が好ましい。

【0083】

なお、本発明は、その主旨または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の各実施形態や各実施例はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文にはなんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

【符号の説明】

【0084】

１００ 撮像装置
１１０ 光学系
１１０Ａ 光学系
１１１ レンズ鏡筒
１１２ａ 第１レンズ
１１２ｂ 第２レンズ
１１２ｃ 第３レンズ（最終レンズ）
１１３ 絞り
１１４ ホルダー
１１５ 光拡散板
１２０ 撮像素子
１３０ Ａ／Ｄコンバーター
１４０ 画像処理部
１４１ ＲＡＷ画像メモリ
１４２ コンボリューション演算部
１５０ 画像復元処理部
１５１ デコンボリューション演算部
１６０ 復元画像出力部
２１０ 光学系
２１１ レンズ鏡筒
２１２ａ 第１レンズ
２１２ｂ 第２レンズ
２１２ｃ 第３レンズ
２１２ｄ 第４レンズ（最終レンズ）

【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】

【図22】