(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】2023-12-13
(45)【発行日】2023-12-21
(54)【発明の名称】撮像光学系、撮像装置および焦点深度拡大光学システム
(51)【国際特許分類】
H04N 23/55 20230101AFI20231214BHJP
G02B 5/00 20060101ALI20231214BHJP
G02B 13/00 20060101ALI20231214BHJP
G06T 5/00 20060101ALI20231214BHJP
H04N 23/60 20230101ALI20231214BHJP
【ＦＩ】
H04N23/55
G02B5/00 Z
G02B13/00
G06T5/00 710
H04N23/60 500
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2020180063
(22)【出願日】2020-10-28
(65)【公開番号】P2022071235
(43)【公開日】2022-05-16
【審査請求日】2023-02-02
(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】110002066
【氏名又は名称】弁理士法人筒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】島野 健
【審査官】村山 絢子
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１４／１５５７９０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１５－１０２７６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１０１０６５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－１３９２４６（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１５／１６６５３９（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０４Ｎ ２３／００
Ｈ０４Ｎ ２３／４０－２３／７６
Ｈ０４Ｎ ２３／９０－２３／９５９
Ｈ０４Ｎ ５／２２２－５／２５７
Ｇ０２Ｂ ５／００－５／１３６
Ｇ０２Ｂ １３／００－１３／３６
Ｇ０３Ｂ １５／００－１５／０３５
Ｇ０３Ｂ １５／０６－１５／１６
Ｇ０２Ｂ ２７／００－３０／６０
Ｇ０６Ｔ ３／００－５／５０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
有効瞳内を透過する光線に所定の位相を与える複数の輪帯溝が形成された光学部品を備える撮像光学系であって、複数の前記輪帯溝は、内周側から外周側に順次形成され、
それぞれの前記輪帯溝において、前記光線の縦収差は、前記輪帯溝の内周端と前記輪帯溝の外周端との間で、第１の値から前記第１の値の符号を反転した第２の値まで連続して変化し、
複数の前記輪帯溝間において、前記縦収差が、前記第１の値と前記第２の値との間で複数回ジグザグに折り返し、
隣り合う前記輪帯溝の境界において、前記縦収差が連続し、
それぞれの前記輪帯溝において、前記縦収差がゼロとなるゼロクロス点を境に、前記光学部品の内周側の面の面積が、前記光学部品の外周側の面の面積とほぼ同じである、
撮像光学系。
【請求項2】
請求項１に記載の撮像光学系において、それぞれの前記輪帯溝における前記縦収差の変動幅は、複数の前記輪帯溝間においてほぼ同じである、
撮像光学系。
【請求項3】
請求項１に記載の撮像光学系において、前記光学部品は、半径方向に沿って軸対称に、滑らかに接続される複数の凹部および凸部からなる凹凸形状を有し、
前記凹部および前記凸部は、前記輪帯溝に対応し、
前記凹部と前記凸部との境界においてサグ量の２回微分値がほぼ不連続であり、
前記凹部において、前記凹部の面が極値となる点を境に前記光学部品の内周側の面の面積が、前記光学部品の外周側の面の面積とほぼ同じであり、
前記凸部において、前記凸部の面が極値となる点を境に前記光学部品の内周側の面の面積が、前記光学部品の外周側の面の面積とほぼ同じである、
撮像光学系。
【請求項4】
請求項３に記載の撮像光学系において、複数の前記輪帯溝の幅は、ほぼ同じである、
撮像光学系。
【請求項5】
請求項３に記載の撮像光学系において、前記光学部品の半径方向に沿った前記凹部のサグ形状は、４次以上の関数で表される、
撮像光学系。
【請求項6】
請求項１に記載の撮像光学系と、イメージセンサと、を備え、
前記イメージセンサに結像した前記撮像光学系を透過した光線に基づき撮像画像を生成する、
撮像装置。
【請求項7】
請求項６に記載の撮像装置と、画像処理装置と、を備え、
前記画像処理装置は、前記撮像画像に対するぼけ除去の画像処理を行う、
焦点深度拡大光学システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、撮像光学系、撮像装置および焦点深度拡大光学システムに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、撮像光学系の絞り位置に輪帯位相板を設置し、撮影画像に画像処理を施すことで撮影画像の焦点深度を拡大する旨の技術が開示されている。具体的には、各輪帯において、輪帯の高さが極大値を取る規格化半径座標の内周側の領域の面積と外周側の領域の面積とを等しくし、輪帯の内周端の接線の傾きと輪帯の外周端の接線の傾きとを等しくする旨、特許文献１に記載されている。これにより、許容範囲の結像特性が得られる焦点ずれの範囲を焦点の両側で均等にする旨、特許文献１に記載されている。
【0003】
特許文献２には、光学系に球面収差を持たせ、撮影画像に画像処理を施すことで撮影画像の焦点深度を拡大する旨の技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１８－１０１０６５号公報
【文献】特開２０１５－４８８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献１では、輪帯の境界において接線の傾きが不連続に変化するため、稜線のエッジが鋭くなる。このため、明るい光源がある状況で撮影すると、フレア等の散乱迷光ノイズが発生する。また、結像特性が許容範囲となる焦点ずれ範囲を、焦点の両側において均等にすることができても、結像特性の評価指標値（例えばピークＳＮ比（ＰＳＮＲ：Ｐｅａｋ Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ））が焦点前後で対称にならない場合がある。
【0006】
また、特許文献２では、球面収差により焦点面上の点像分布をぼかした画像に復元処理を行うことで焦点深度を拡大している。しかしながら、このような手法では、焦点深度を十分に拡大できない。
【0007】
そこで、本発明は、鮮明で焦点深度の深い焦点深度拡大画像を、焦点前後の焦点ずれの広い範囲において均一な画質で実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【0009】
本発明の代表的な実施の形態による撮像光学系は、有効瞳内を透過する光線に所定の位相を与える複数の輪帯溝が形成された光学部品を備える。複数の輪帯溝は、内周側から外周側に順次形成される。それぞれの輪帯溝において、光線の縦収差は、輪帯溝の内周端と輪帯溝の外周端との間で、第１の値から第１の値の符号を反転した第２の値まで連続して変化する。複数の輪帯溝間において、縦収差が、第１の値と第２の値との間で複数回ジグザグに折り返す。隣り合う輪帯溝の境界において、縦収差が連続する。それぞれの輪帯溝において、縦収差がゼロとなるゼロクロス点を境に、光学部品の内周側の面の面積が、光学部品の外周側の面の面積とほぼ同じである。
【発明の効果】
【0010】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【0011】
すなわち、本発明の代表的な実施の形態によれば、鮮明で焦点深度の深い焦点深度拡大画像を、焦点前後の焦点ずれの広い範囲において均一な画質で実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明の実施の形態１に係る撮像装置を備えた焦点深度拡大光学システムの一例を示す構成図である。
【図2】波面収差と光線収差との関係を説明する図である。
【図3】焦点深度拡大光学系を説明する図である。
【図4】１つの輪帯溝における縦収差を模式的に例示する図である。
【図5】複数の輪帯溝における縦収差を模式的に例示する図である。
【図6】本発明の実施の形態１に係る位相板を含む撮像光学系の構成の一例を示す図である。
【図7】位相板において光に付加される付加位相を例示する図である。
【図8】位相板の縦収差を例示する図である。
【図9】焦点ずれに対する画像処理後の撮像画像の評価指標値を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。以下で説明する各実施の形態は、本発明を実現するための一例であり、本発明の技術範囲を限定するものではない。なお、実施例において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は、特に必要な場合を除き省略する。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。以下で説明する各実施の形態は、本発明を実現するための一例であり、本発明の技術範囲を限定するものではない。なお、実施例において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は、特に必要な場合を除き省略する。
【0014】
図１は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置を備えた焦点深度拡大光学システムの一例を示す構成図である。図１の焦点深度拡大光学システムＳＹＳは、例えば、Ｗａｖｅｆｒｏｎｔ Ｃｏｄｉｎｇ（ＷＦＣ）と称されるシステム等である。
【0015】
焦点深度拡大光学システムＳＹＳは、図１に示すように、撮像装置１００、画像処理装置１５０を備えている。なお、図１では、焦点深度拡大光学システムＳＹＳは、表示装置１７０を含んだ構成となっているが、表示装置１７０を含まない構成としてもよい。
【0016】
撮像装置１００は、撮像光学系１１０およびイメージセンサ１３１を収容する筐体１３０を備えている。撮像光学系１１０は、１または複数枚の光学レンズを備えている。図１の例では、複数の光学レンズ１１１ａ～１１１ｅが、光の入射側から出射側（筐体側）に向かって順次配置されている。光学レンズ１１１ｂと光学レンズ１１１ｃとの間には、絞り１１３および位相板（光学部品）１１５が、光の入射側から出射側に向かって順次配置されている。このように、位相板１１５は、絞りの近傍に設けられている。撮像光学系１１０については、後で詳しく説明する。
【0017】
筐体１３０は、画像処理装置１５０と接続されている。筐体１３０と画像処理装置１５０との接続方法は、有線でもよいし無線でもよい。筐体１３０と画像処理装置１５０とがネットワークを介して接続されてもよい。
【0018】
イメージセンサ１３１の各画素は、入射した光に応じた画素データを生成する。各画素の画素データは、１つの画像データにまとめられ撮像画像が生成される。撮像画像は、画像処理装置１５０へ出力され、画像処理装置１５０においてぼけ除去の画像処理が行われる。画像処理後の撮像画像は、表示装置１７０に表示される。また、画像処理後の撮像画像は、図示しない記憶装置に格納される。
【0019】
図１に示すように、物体からの光１０１は、撮像光学系１１０によりイメージセンサ１３１上に結像される。このとき、位相板１１５により、イメージセンサ１３１に集光する光線に対し、所定の収差が加えられる。この収差は、物体やイメージセンサの焦点ずれに対して、集光される点像分布があまり変化を生じないようなぼけを生じさせる。このようにして、撮像装置１００は、焦点ずれに対する点像分布の変化が少ない、ぼけた撮像画像を生成する。
【0020】
画像処理装置１５０は、撮像装置１００で生成された撮像画像に対し、ぼけの除去等の画像処理を行い、画像処理後の撮像画像を表示装置１７０等に表示させる。このようにして得られた画像処理後の撮像画像は、焦点ずれがあるものの、ぼけのない焦点深度の深い画像となる。
【0021】
＜撮像光学系＞
ここで、撮像光学系について詳しく説明する。まず、位相板における波面収差と光線収差との関係について説明する。図２は、波面収差と光線収差との関係を説明する図である。図２において、横軸ｚは光軸２０１、縦軸ｒは射出瞳２０２である。
ここで、撮像光学系について詳しく説明する。まず、位相板における波面収差と光線収差との関係について説明する。図２は、波面収差と光線収差との関係を説明する図である。図２において、横軸ｚは光軸２０１、縦軸ｒは射出瞳２０２である。
【0022】
射出瞳２０２は、絞りよりイメージセンサ側に設けられる光学レンズ（後玉光学系）による絞りの像であり、複数枚の光学レンズを組み合わせたレンズ光学系を仮想的な薄肉レンズとして解釈できる仮想的な射出側の絞り面である。
【0023】
射出瞳２０２を出て、無収差で焦点２０３に集光する波面が参照波面２０４である。参照波面２０４と、実際に収差のある収差波面２０５との光線方向の光路差が、波面収差２０６である。波面収差２０６は、射出瞳２０２を横切る半径ｒの関数として表わされる。
【0024】
一方、収差を持った光線２０７が焦点面２０８を横切る点の光軸２０１からの高さ、言い換えれば、光線２０７が焦点面２０８を横切る点と光軸２０１との距離が、横収差Δｙである。光線２０７が光軸２０１と交わる点と焦点面２０８との距離が、縦収差Δｚである。
【0025】
ここで、波面収差２０６を射出瞳面の半径ｒの関数Ｗ（ｒ）とし、射出瞳２０２の有効半径（有効瞳）２１１が焦点距離ｆに対して小さいものとして近似する（いわゆる近軸近似）。光線は波面に対して垂直に進行することから、横収差Δｙは、以下の式（１）で表される。
【0026】
Δｙ＝ｆ・（ｄＷ／ｄｒ） ・・・（１）
一方、縦収差Δｚは、以下の式（２）で表される。
Δｚ＝Δｙ／（ｒ／ｆ）
＝（ｆ２／ｒ）（ｄＷ／ｄｒ）
＝（１／（ＮＡ２ρ））（ｄＷ／ｄρ） ・・・（２）
一方、縦収差Δｚは、以下の式（２）で表される。
Δｚ＝Δｙ／（ｒ／ｆ）
＝（ｆ２／ｒ）（ｄＷ／ｄｒ）
＝（１／（ＮＡ２ρ））（ｄＷ／ｄρ） ・・・（２）
【0027】
ここで、ρは、射出瞳面の半径ｒを有効半径Ｒで規格化した半径であり、以下の式（３）で表される。また、ＮＡは、開口数であり、以下の式（４）で表される。
ρ＝ｒ／Ｒ ・・・（３）
ＮＡ＝Ｒ／ｆ ・・・（４）
ρ＝ｒ／Ｒ ・・・（３）
ＮＡ＝Ｒ／ｆ ・・・（４）
【0028】
縦収差Δｚが位相板により生ずるとすれば、縦収差Δｚは、光軸２０１を通る光線と、所定の瞳半径位置を通る光線との焦点ずれ量に相当する。このため、この縦収差Δｚを、所定の焦点深度拡大範囲に均一に分布させるように、位相板の波面収差２０６が設計される。
【0029】
図３は、焦点深度拡大光学系を説明する図である。図３の位相板３０１は、光軸に対して軸対称に放物断面形状を有する複数の輪帯溝３１０が形成されている。各輪帯溝３１０において、光軸と平行な法線を有する輪帯溝３１０の底を透過する光線は、収差が生じることなく、光学レンズ３０２の本来の焦点３０３を透過する。
【0030】
一方、輪帯溝３１０の底以外の箇所、すなわち、法線が光軸に対し傾斜した箇所では、輪帯溝の面が凹レンズのように作用する。このため、法線が光軸に対し傾斜した箇所では、図３の破線で示すように、透過する光線が焦点３０３の前後に逸れるため、点像にぼけが生じる。
【0031】
各輪帯溝３１０では、焦点３０３の前後における焦点深度拡大範囲の点像強度をなるべく均一にするため、輪帯溝３１０の底を境に二分される、輪帯溝１３０の外側領域（外周側）の面の面積と、輪帯溝１３０の内側領域（内周側）の面の面積とがほぼ同じになっている。すなわち、光軸に対する輪帯溝３１０の底の規格化半径をρ０、輪帯溝３１０の内周端の規格化半径をρ１、輪帯溝３１０の外周端の規格化半径をρ２とすれば、以下の式（５）、（６）の関係式が得られる。
ρ２ ２－ρ０ ２＝ρ０ ２－ρ１ ２ ・・・（５）
ρ０ ２＝（ρ１ ２＋ρ２ ２）／２ ・・・（６）
ρ２ ２－ρ０ ２＝ρ０ ２－ρ１ ２ ・・・（５）
ρ０ ２＝（ρ１ ２＋ρ２ ２）／２ ・・・（６）
【0032】
図４は、１つの輪帯溝における縦収差を模式的に例示する図である。図５は、複数の輪帯溝における縦収差を模式的に例示する図である。ここで、ある輪帯溝３１０において、例えば図４に示すように、輪帯溝の内周端を通る光線の縦収差と、輪帯溝３１０の外周端を通る光線の縦収差が、同じ絶対値で符号が反転するようにする。具体的には、それぞれの輪帯溝において、光線の縦収差が、輪帯溝の内周端と輪帯溝の外周端との間で、第１の値から第１の値の符号を反転した第２の値まで連続して変化するようにする。そうすると、この輪帯溝３１０の内周端から外周端にかけて、光線が焦点深度拡大範囲内で均一に分布し、一様な点像分布が得られる。すなわち、第１の値の絶対値および第２の値の絶対値は、同じ値である。
【0033】
ただし、縦収差Δｚが「０」となる輪帯溝３１０の底は、式（６）式に示すように、輪帯溝の内周端と外周端との中点ではないことから、図４の縦収差の関数は、規格化半径ρに対して少なくとも１次関数で表すことができない。そこで、この縦収差を、以下の式（７）で示す２次関数で表されると仮定する。
Δｚ（ρ）＝ａρ２＋ｂρ＋ｃ ・・・（７）
Δｚ（ρ）＝ａρ２＋ｂρ＋ｃ ・・・（７）
【0034】
この２次関数が図４に示すような関係を満たすことから、以下の式（８）～（１０）の連立方程式が得られる。
－Δｚ＝ａρ１ ２＋ｂρ１＋ｃ ・・・（８）
０ ＝ａρ０ ２＋ｂρ０＋ｃ ・・・（９）
＋Δｚ＝ａρ２ ２＋ｂρ２＋ｃ ・・・（１０）
式（８）～（１０）を解くことにより、以下の式（１１）～（１３）が得られる。
ａ ＝ Δｚ／（ρ０ ２－ρ１ ２） ・・・（１１）
ｂ ＝ ０ ・・・（１２）
ｃ ＝ －（Δｚ・ρ０ ２）／（ρ０ ２－ρ１ ２） ・・・（１３）
－Δｚ＝ａρ１ ２＋ｂρ１＋ｃ ・・・（８）
０ ＝ａρ０ ２＋ｂρ０＋ｃ ・・・（９）
＋Δｚ＝ａρ２ ２＋ｂρ２＋ｃ ・・・（１０）
式（８）～（１０）を解くことにより、以下の式（１１）～（１３）が得られる。
ａ ＝ Δｚ／（ρ０ ２－ρ１ ２） ・・・（１１）
ｂ ＝ ０ ・・・（１２）
ｃ ＝ －（Δｚ・ρ０ ２）／（ρ０ ２－ρ１ ２） ・・・（１３）
【0035】
一方、式（２）より、このような縦収差を満たす波面収差Ｗ（ｒ）は、以下の式（１４）の関係を満たす。
ｄＷ／ｄρ＝（Δｚ／（ρ０ ２－ρ１ ２））ＮＡ２（ρ３－ρ０ ２ρ） ・・・（１４）
ｄＷ／ｄρ＝（Δｚ／（ρ０ ２－ρ１ ２））ＮＡ２（ρ３－ρ０ ２ρ） ・・・（１４）
【0036】
式（１４）を、Ｗ（ρ１）＝０の条件で積分すると、波面収差Ｗ（ｒ）は、以下の式（１５）に示す４次関数で表される。また、波面収差Ｗ（ｒ）は、４次以上の関数で表されてもよい。
Ｗ（ρ）＝（Δｚ・ＮＡ２／（４（ρ０ ２―ρ１ ２）））×
（ρ４－２ρ０ ２ρ２－ρ１ ４＋２ρ１ ２ρ０ ２） ・・・（１５）
Ｗ（ρ）＝（Δｚ・ＮＡ２／（４（ρ０ ２―ρ１ ２）））×
（ρ４－２ρ０ ２ρ２－ρ１ ４＋２ρ１ ２ρ０ ２） ・・・（１５）
【0037】
式（１５）で表される波面収差を平行平板の透明な光学素子で実現する場合、サグ量をＺ（ρ）とし、波長λにおける光学材料の屈折率をｎとすれば、以下の式（１６）の関係を満たすことから、サグ量Ｚ（ρ）は、以下の式（１７）で表される。
Ｗ（ρ）＝Ｚ（ρ）×（ｎ－１） ・・・（１６）
Ｚ（ρ）＝（１／（ｎ－１））Ｗ（ρ） ・・・（１７）
Ｗ（ρ）＝Ｚ（ρ）×（ｎ－１） ・・・（１６）
Ｚ（ρ）＝（１／（ｎ－１））Ｗ（ρ） ・・・（１７）
【0038】
ここで説明した内容は、１本の輪帯溝に対応したものであり、その他の輪帯溝についても、縦収差が図５のような関係を満たすように、波面収差がそれぞれ設計される。複数の輪帯溝が形成される場合、図５に示すように、隣り合う輪帯溝間で縦収差の符号が交互に反転するようになっている。すなわち、複数の輪帯溝が形成される場合、隣り合う輪帯溝の境界で縦収差Δｚが連続するようになっている。このように、位相板１１５の全体としては、光軸から外周端に向かって、縦収差がジグザグになるように、各輪帯溝が形成される。
【0039】
縦収差Δｚは、式（２）に示すように、波面収差を微分したもので表される。このため、図５に示すように縦収差Δｚがジグザグであっても、隣り合う輪帯溝の境界で縦収差Δｚが連続であれば、その積分である波面収差は滑らかに繋がった面となる。したがって、位相板１１５に入射した光は、一様に屈折し、輪帯溝の境界において散乱することなく、迷光等が生じにくくなる。
【0040】
図６は、本発明の実施の形態１に係る位相板を含む撮像光学系の構成の一例を示す図である。図６に示すように、位相板１１５には、光軸から外周に向かって、複数の輪帯溝１１６が形成されている。図６には、４つの輪帯溝１１６ａ～１１６ｄが形成された例が示されている。ただし、輪帯溝１１６の個数は、特に限定されるものではない。
【0041】
図６に示すように、位相板１１５は、半径方向に沿って、光軸対称で滑らかに接続される複数の凹部および凸部からなる凹凸形状有する。それぞれ凹部および凸部は、輪帯溝１１６に対応している。このように、図６の位相板１１５は、凹部および凸部の輪帯溝１１６を複数備えている。実線で示す光線は、各輪帯溝１１６の底または頂点を通るので、焦点１１７に無収差で集光される。これに対し、破線で示す輪帯溝１１６の底または頂点の周辺領域を通過する光線は、輪帯溝１１６の面の傾きによって屈折され、焦点１１７の前後にずれて結像している。なお、各輪帯溝１１６の底は、凹部の面が極値となる点であり、各輪帯溝１１６の頂点は、凸部の面が極値となる点である。
【0042】
凹部と凸部との境界では、式（１７）で表されるサグ量の２回微分値は、ほぼ不連続となっている。各輪帯溝１６の幅は、特に制限されるものではない。ただし、本実施の形態に係る位相板１１５について、輪帯溝１１６の幅を異ならせてシミュレーションを行ったところ、位相板１１５の外周側の輪帯溝１１６の幅を内周側より狭くした場合と比べて、内周側と外周側とで輪帯溝１１６の幅を等しくした方が、焦点深度拡大性能が高くなることが判明した。
【0043】
＜本実施の形態による主な効果＞
本実施の形態によれば、複数の輪帯溝１１６間において、縦収差Δｚが、第１の値と第２の値との間で複数回ジグザグに折り返す。隣り合う輪帯溝１１６の境界において、縦収差Δｚが連続している。それぞれの輪帯溝１１６において、縦収差Δｚがゼロとなるゼロクロス点を境に、位相板（光学部品）１１５の内周側の面の面積が、位相板１１５の外周側の面の面積とほぼ同じである。
本実施の形態によれば、複数の輪帯溝１１６間において、縦収差Δｚが、第１の値と第２の値との間で複数回ジグザグに折り返す。隣り合う輪帯溝１１６の境界において、縦収差Δｚが連続している。それぞれの輪帯溝１１６において、縦収差Δｚがゼロとなるゼロクロス点を境に、位相板（光学部品）１１５の内周側の面の面積が、位相板１１５の外周側の面の面積とほぼ同じである。
【0044】
この構成によれば、ゼロクロス点に対し、縦収差Δｚがプラス側の領域の光量と、縦収差Δｚがマイナス側の領域の光量とが均等になる。そして、焦点ずれのプラス側の領域およびマイナス側の領域とで、光線が焦点深度拡大範囲内で均一に分布し、一様な点像分布が得られる。そして、このような撮像光学系により得られた撮像画像に対しぼけ除去の画像処理が行われる。これにより、鮮明で焦点深度の深い焦点深度拡大画像を、焦点前後の焦点ずれの広い範囲において均一な画質で実現することが可能となる。
【0045】
また、本実施の形態によれば、それぞれの輪帯溝１６における縦収差Δｚの変動幅は、複数の輪帯溝１１６間においてほぼ同じである。この構成によれば、各輪帯溝１１６における、縦収差Δｚがプラス側の領域の光量と、縦収差Δｚがマイナス側の領域の光量とを、複数の輪帯溝１１６間で均等にすることが可能となる。
【0046】
また、本実施の形態によれば、凹部と凸部との境界においてサグ量の２回微分値がほぼ不連続である。この構成によれば、凹部と凸部とが連続して接続され、散乱光の発生が抑えられる。
【0047】
また、本実施の形態によれば、凹部において、凹部の面が極値となる点を境に位相板１１５の内周側の面の面積が、位相板１１５の外周側の面の面積とほぼ同じである。また、凸部において、凸部の面が極値となる点を境に位相板１１５の内周側の面の面積が、位相板１１５の外周側の面の面積とほぼ同じである。
【0048】
この構成によれば、ゼロクロス点に対し、縦収差Δｚがプラス側の領域の光量と、縦収差Δｚがマイナス側の領域の光量とが均等になる。そして、焦点ずれのプラス側の領域およびマイナス側の領域とで、光線が焦点深度拡大範囲内で均一に分布し、一様な点像分布が得られる。そして、このような撮像光学系により得られた撮像画像に対しぼけ除去の画像処理が行われる。これにより、鮮明で焦点深度の深い焦点深度拡大画像を、焦点前後の焦点ずれの広い範囲において均一な画質で実現することが可能となる。
【0049】
また、本実施の形態によれば、複数の輪帯溝１１６の幅が、ほぼ同じである。この構成によれば、輪帯溝１１６ごとに幅を異ならせた場合よりも、焦点ずれに対する画像処理後の撮像画像の評価指標値を向上させることが可能となる。すなわち、本実施の形態によれば、画像処理後の撮像画像の画質をより向上させることが可能となる。
【0050】
また、本実施の形態によれば、位相板１１５の半径方向に沿った凹部のサグ形状は、４次以上の関数で表される。この構成によれば、凹部および凸部の形状をより詳細に設計できるので、光学特性をより向上させることが可能となる。
【0051】
［実施例１］
次に、本実施の形態に係る実施例１について説明する。実施例１における各条件は、以下の通りである。撮像光学系１１０のＦ値は２．１９、撮像光学系１１０の焦点距離は４５ｍｍ、イメージセンサ１３１の画素ピッチは３．２７μｍ、イメージセンサ１３１の画素数（ピクセル数）は１０２４×１０２４、撮像装置１００から撮像対象の物体までの距離は１８．７ｍ、輪帯溝１１６の個数は３個、各輪帯溝１１６の幅は同一である。
次に、本実施の形態に係る実施例１について説明する。実施例１における各条件は、以下の通りである。撮像光学系１１０のＦ値は２．１９、撮像光学系１１０の焦点距離は４５ｍｍ、イメージセンサ１３１の画素ピッチは３．２７μｍ、イメージセンサ１３１の画素数（ピクセル数）は１０２４×１０２４、撮像装置１００から撮像対象の物体までの距離は１８．７ｍ、輪帯溝１１６の個数は３個、各輪帯溝１１６の幅は同一である。
【0052】
図７は、位相板において光に付加される付加位相を例示する図である。図７において、実施例１、後述の実施例２、および従来例が重ね合わせて表示されている。従来例は、特許文献１の構成を用いた例である。図７において、横軸は、光線が瞳面を横切る位置の規格化半径、縦軸は、光の波長λを単位とした付加位相（位相）である。
【0053】
式（１５）に示すように、波面収差の関数は、輪帯溝１１６ごとに設定される。しかし、本実施の形態の位相板１１５では、図７に示すように、隣り合う輪帯溝１１６の境界において、位相分布が滑らかに接続されていることがわかる。ここでいう「滑らか」とは、位相の特性を示す曲線の１次微分が、隣り合う輪帯溝１１６の境界において連続であることを意味する。
【0054】
また、このような特性を生じさせる位相板１１５の光学面形状は、位相の特性を示す曲線に比例した形状となる。このため、位相板１１５は、隣り合う輪帯溝１１６の境界において段差がない形状となる（例えば図６）。この構成によれば、隣り合う輪帯溝１１６の境界において、散乱光ノイズの発生等が生じないというメリットがある。
【0055】
一方、図７には、従来例として、本実施例と同じ条件で設計した位相板の付加位相分布が示されている。ただし、比較例は、例えば図３に示すように、隣り合う輪帯溝３１０の境界が滑らかな形状とはなっていない。このため、従来例では、図７に示すように、輪帯溝の境界における位相分布が滑らかに接続されていない。すなわち、位相の特性を示す曲線の１次微分が不連続で、段差が生じている。
【0056】
図８は、位相板の縦収差を例示する図である。図８において、実施例１、後述の実施例２、および従来例が重ね合わせて表示されている。本実施例では、各輪帯溝１１６の縦収差Δｚは、内側から順に＋０．３ｍｍ、－０．３ｍｍ、＋０．３ｍｍにそれぞれ設定されている。図８において、横軸は、縦収差であり、縦軸は、光線が瞳面を横切る規格化半径である。
【0057】
図８に示すように、実施例１では、設定された縦収差Δｚが反映され、縦収差Δｚの値が、±０．３ｍｍの間で輪帯溝１１６ごとに往復するような特性となっていることがわかる。言い換えれば、縦収差Δｚは、±０．３ｍｍの間で輪帯溝１１６ごとに「く」の字状に往復するような特性となっている。また、言い換えれば、縦収差Δｚは、複数の輪帯溝１１６において、±０．３ｍｍの間でジグザグに往復するような特性となっている。
【0058】
縦収差Δｚがゼロとなり、縦軸と交差するゼロクロス点は、輪帯溝１１６の内側領域と外側領域とを同じ面積で等分する位置となっている。すなわち、それぞれの輪帯溝１１６では、縦収差Δｚがゼロとなるゼロクロス点を境に、位相板１１５の内周側の面の面積が、位相板１１５の外周側の面の面積とほぼ同じである。
【0059】
このため、ゼロクロス点に対し、縦収差Δｚがプラス側の領域の光量と、縦収差Δｚがマイナス側の領域の光量とが均等になる。
【0060】
この構成によれば、ゼロクロス点に対し、プラス側とマイナス側とで縦収差Δｚの対称性が向上しており、焦点ずれに対する画質変化の対称性が向上する。
【0061】
一方、従来例は、図８に示すように、輪帯溝の境界で縦収差が不連続となっている。しかも、従来例では、ゼロクロス点に対するプラス側における縦収差が－０．３ｍｍとなっているが、ゼロクロス点に対するプラス側における縦収差は０．３ｍｍよりも小さい値となっている。このように、従来例では、縦収差の変化がゼロクロス点に対して対称でないことがわかる。
【0062】
縦収差が縦軸を横切るゼロクロス点は、輪帯溝を等分する半径位置であり、実施例１とほぼ同じ位置であり、焦点ずれによる光量の対称性はあるものの、縦収差が対称でないため、焦点ずれに対する画質変化の対称性は、実施例１より劣っている。
【0063】
図９は、焦点ずれに対する画像処理後の撮像画像の評価指標値を例示する図である。図９において、実施例１、後述の実施例２、従来例、および通常の値が重ね合わせて表示されている。図９において、横軸はイメージセンサ１３１のセンサ面からの焦点ずれ、縦軸は評価指標値としてのＰＳＮＲを示している。
【0064】
縦軸のＰＳＮＲは、ｄＢ（デシベル）単位で表示されており、評価指標値が大きいほど、元のテスト画像と画像処理後の撮像画像との差異が小さいことを示している。
【0065】
図９では、撮像画像に対するデコンボリューション処理を行った後の撮像画像（再生画像）の品質の評価指標値のシミュレーション結果が示されている。このシミュレーションでは、例えば撮影対象物として「Ｒｅｎａ」と呼ばれる一般的なテスト画像を用い、このテスト画像が撮像光学系１１０を介してイメージセンサ１３１のセンサ面上に結像されるときの撮像画像を計算している。そして、撮像画像に対してデコンボリューション処理（ぼけ除去処理）を行い、元のテスト画像との差異から評価指標値が計算される。
【0066】
図９に示すように、実施例１では、焦点ずれがゼロの領域付近でＰＳＮＲの数値が最も高くなっており、焦点ずれが大きくなるにつれてＰＳＮＲの数値が小さくなっている。すなわち、焦点付近では、元のテスト画像と画像処理後の撮像画像との差異が最も小さく、焦点ずれが大きくなるにつれて、元のテスト画像と画像処理後の撮像画像との差異が大きくなっている。ただし、実施例１では、デコンボリューション画像処理後の再生画像のＰＳＮＲの数値は、焦点ずれがゼロの領域で３５ｄＢ以上となっている。また、焦点ずれがゼロの領域を中心として、ＰＳＮＲの数値が、焦点ずれのプラス側の領域およびマイナス側の領域とで対称になっている。すなわち、図９によれば、焦点ずれのプラス側の領域およびマイナス側の領域とで、画質劣化の程度が同様になっていることがわかる。
【0067】
一方、従来例では、焦点ずれがゼロのとき、ＰＳＮＲの数値が３５ｄＢを下回っており、実施例１より数値が小さくなっている。また、従来例では、焦点ずれがプラス側の領域とマイナス側の領域とで、ＰＳＮＲの数値の対称性が崩れている。このように、実施例１の構成によれば、焦点ずれがゼロの領域における、画像処理後の撮像画像の画質が向上させることが可能となる。また、焦点ずれのプラス側の領域およびマイナス側の領域とで、ＰＳＮＲの数値の対称性を向上させることができ、これらの領域における画質劣化を同程度にすることが可能となる。
【0068】
なお、「通常」の凡例は、画像処理を行わない場合の、画質劣化を示すものである。図９に示すように、通常の場合、焦点ずれにより急激にＰＳＮＲの数値が低下している。
【0069】
図１０は、図９のＰＳＮＲを得るデコンボリューションフィルタの周波数特性を例示する図である。図１０において、横軸は空間周波数を示し、縦軸は増幅率を示している。すなわち、図１０では、撮像画像からぼけを除去するデコンボリューション処理における増幅ゲインが示されている。図１０において、実施例１、後述の実施例２、および従来例が重ね合わせて表示されている。
【0070】
焦点深度拡大光学システムＳＹＳでは、画質の焦点ずれ依存性を少なくするため、光学系によりぼかした撮像画像を生成し、画像処理によりぼけを除去することで元の画像に復元する。したがって、デコンボリューションフィルタの周波数特性としては、撮像光学系が低下させた高周波成分を、画像処理により復元する高域強調フィルタとなる。
【0071】
このとき、元の撮像画像のＳ／Ｎ比を超えて高域強調を行うと、再生画像（画像処理後の画像）がノイズに埋もれて復元できなくなる。したがって、増幅ゲインはなるべく小さい方がよい。図１０では、実施例１および従来例とも、周波数特性は、ほぼ同等となっており、Ｓ／Ｎ比の低下はないことが期待される。
【0072】
【0073】
まず、図７について説明する。実施例２では、輪帯溝１１６ごとに、縦収差Δｚを内側の輪帯から順に＋０．３ｍｍ、－０．３ｍｍ、＋０．３ｍｍ、－０．３ｍｍとしている。実施例２でも、輪帯溝１１６ごとに波面収差の関数がそれぞれ設定されるが、図７に示すように、隣り合う輪帯溝１１６の境界において、位相分布がなめらかに接続されていることがわかる。したがって、実施例２も、実施例１と同様に散乱光ノイズ等が生じないというメリットがある。
【0074】
次に、図８について説明する。図８に示すように、実施例２においても、設定した縦収差Δｚの値を反映して、縦収差の値が、±０．３ｍｍの間で輪帯溝１１６ごとに往復するような特性となっている。縦収差がゼロとなって縦軸と交差するゼロクロス点の半径位置も、実施例１と同様に輪帯溝１１６の内側領域と外側領域とを同じ面積で等分する半径位置となっている。このため、ゼロクロス点に対し、縦収差がプラス側の光量と、マイナス側の光量とが均等になる。これにより、ゼロクロス点に対し、縦収差Δｚがプラス側の領域とマイナス側の領域とで、焦点ずれに対する画質変化の対称性が向上する。
【0075】
次に、図９について説明する。図９に示すように、実施例２においても、デコンボリューション画像処理後の再生画像のＰＳＮＲの数値は、焦点ずれがゼロの領域で３５ｄＢを上回っている。また、焦点ずれがプラス側の領域とマイナス側領域との間におけるＰＳＮＲの数値の対称性は、従来例よりはもちろん当然、実施例１よりも向上している。
【0076】
次に、図１０について説明する。実施例２の周波数特性は、従来例および実施例１と、ほぼ同等の特性となっている。したがって、実施例２においても、Ｓ／Ｎ比の低下はないことが期待される。
【0077】
［その他］
その他、輪帯溝の幅を外周ほど狭くし、輪帯溝の内側領域の面積と外側領域の面積とを輪帯溝によらず、同程度にする構成等についても検討したが、ＰＳＮＲの性能は、輪帯溝の幅を内周側と外周側とで同じとしたときの方が優れていた。
その他、輪帯溝の幅を外周ほど狭くし、輪帯溝の内側領域の面積と外側領域の面積とを輪帯溝によらず、同程度にする構成等についても検討したが、ＰＳＮＲの性能は、輪帯溝の幅を内周側と外周側とで同じとしたときの方が優れていた。
【0078】
なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の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。なお、図面に記載した各部材や相対的なサイズは、本発明を分かりやすく説明するため簡素化・理想化しており、実装上はより複雑な形状となる場合がある。
【符号の説明】
【0079】
１００…撮像装置、１１０…撮像光学系、１１５…位相板、１１６…輪帯溝、１３０…筐体、１３１…イメージセンサ、１５０…画像処理装置、１７０…表示装置、ＳＹＳ…焦点深度拡大光学システム。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】