撮像装置
【課題】画像処理がなくてもコントラストの高い適切な画質を達成し、また、画像処理を加えた場合でもノイズの影響が小さい復元画像を得ることが可能で、かつ、画面全域に渡って、深度の深い、適切な画質を得ることを可能とする撮像装置を提供する。
【解決手段】１次画像ＦＩＭを形成する光学系１１０および撮像素子１２０と、１次画像ＦＩＭを高精細な２次画像ＳＩＭに形成する画像処理装置１４０とを含み、光学系１１０は、収差を発生させて光学的伝達関数（ＯＴＦ）を変調させる収差制御機能を有する収差制御部１１３ａと、収差制御光学系において前記収差制御部を通過する光束を制限する絞り１１４と、収差制御光学系および絞りを通過した被写体像を撮像する撮像素子１２０と、を有し、収差制御部と絞りの間で、主光線が、光軸に集光する光線のうち絞りに接する光線を表すFno光線と交わらない。
【解決手段】１次画像ＦＩＭを形成する光学系１１０および撮像素子１２０と、１次画像ＦＩＭを高精細な２次画像ＳＩＭに形成する画像処理装置１４０とを含み、光学系１１０は、収差を発生させて光学的伝達関数（ＯＴＦ）を変調させる収差制御機能を有する収差制御部１１３ａと、収差制御光学系において前記収差制御部を通過する光束を制限する絞り１１４と、収差制御光学系および絞りを通過した被写体像を撮像する撮像素子１２０と、を有し、収差制御部と絞りの間で、主光線が、光軸に集光する光線のうち絞りに接する光線を表すFno光線と交わらない。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像素子を用い、光学系を備えたデジタルスチルカメラや携帯電話搭載カメラ、携帯情報端末搭載カメラ、画像検査装置、自動制御用産業カメラ等の撮像装置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代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 Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、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１２は、一般的な撮像レンズ装置の構成を説明するための図である。
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１２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１３（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、幅広い物体距離に対してＯＴＦをほぼ一定となることを特徴とする位相板の効果により、点像（ＰＳＦ：Ｐｏｉｎｔ−Ｓｐｒｅａｄ−Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を回転非対称な形状とし、画像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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【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
【非特許文献】
【０００８】
【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】
【０００９】
上述した各文献にて提案された撮像装置において、通常光学系に上述の位相板を挿入した場合のＯＴＦが物体距離に対してほぼ一定になっていることが前提であり、コントラストが通常の光学系よりも劣化する。
たとえば、コードリーダのようなセンシングカメラの用途において、このようなコントラストの劣化は、読取り率の劣化等を引き起こす。
また、コントラストが必要なカメラ、たとえば、デジタルカメラや携帯端末用カメラにおいては、劣化したコントラストを向上させるためにコンボリューション等の画像処理を加えることにより、ノイズを増大させてしまう。
しかしながら、位相板を用いた光学設計ではこのコントラストの劣化を抑えることは困難である。
【００１０】
また、上記技術では、絞りを位相板から離した場合に、画面中心と周辺での位相が変化してしまうことにより、画面周辺の画像が良好な画質にならない。
特に、画像処理を加えた場合、復元画像に影響を与えてしまうという大きな問題を抱えている。さらに撮像素子への光線入射角度をコントロールしなければ画面中心と周辺のＰＳＦが変化してしまうことにより、復元を困難にする。
【００１１】
本発明の目的は、画像処理がなくてもコントラストの高い適切な画質を達成し、また、画像処理を加えた場合でもノイズの影響が小さい復元画像を得ることが可能で、かつ、画面全域にわたって、深度の深い、適切な画質を得ることを可能とする撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の観点の撮像装置は、収差を発生させて光学的伝達関数（ＯＴＦ）を変調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において前記収差制御部を通過する光束を制限する絞りと、前記収差制御光学系および絞りを通過した被写体像を撮像する撮像素子と、を有し、前記収差制御部と前記絞りの間で、主光線が、光軸に集光する光線のうち絞りに接する光線を表すFno光線と交わらない。
【００１３】
好適には、絞り近傍における主光線と光軸が略平行とみなせる。
【００１４】
好適には、以下の条件式（１）、（２）を満足する。
φ／Ｄ＜１ ・・・（１）
α＜４５° ・・・（２）
φ：絞り径
Ｄ：絞りと収差制御部のなす間隔
α：像高最周辺に結像する主光線の、絞り位置における、光軸に対する入射角度
【００１５】
好適には、前記収差制御部は、通常光学系のレンズ面に形成する収差制御面によって形成、もしくは通常光学系のレンズとは別の光学系である収差制御素子によって形成される。
【００１６】
好適には、前記撮像素子からの画像信号より収差（ボケ）のない画像信号を生成する変換手段を有する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、画像処理がなくてもコントラストの高い適切な画質を達成し、また、画像処理を加えた場合でもノイズの影響が小さい復元画像を得ることができる利点がある。さらに、画面全域に渡って、深度の深い、適切な画質を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る撮像装置の一実施形態を示すブロック構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る収差制御光学系を形成するレンズユニットの構成を示す図である。
【図３】ディフォーカスＭＴＦを示す図であって、（Ａ）は通常光学系のディフォーカスＭＴＦを示す図であり、（Ｂ）はＤＥＯＳのディフォーカスＭＴＦを示す図であり、（Ｃ）は物体距離に対してＯＴＦが一定となる光学系のディフォーカスＭＴＦを示す図である。
【図４】高周波のＯＴＦ変動を抑えたＤＥＯＳにおける任意の周波数でディフォーカスに対するＭＴＦのピークを２分できることを示す図であって、（Ａ）が球面収差カーブを示し、（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、（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。
【図５】低周波のＯＴＦ変動を抑えたＤＥＯＳにおける任意の周波数でディフォーカスに対するＭＴＦのピークを２分できることを示す図であって、（Ａ）が球面収差カーブを示し、（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、（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。
【図６】被写体のスペクトル分布F(s, t)から被写体像のスペクトル分布G(s, t)への光学伝達関数H(s, t)を介した伝達を表した図である。
【図７】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８】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９】ＤＥＯＳのブロック図である。
【図１０】絞り位置の異なるＤＥＯＳの収差制御部の光線図であって、（Ａ）は絞りが収差制御面に近い場合の光線図を示し、（Ｂ）は絞りが収差制御面に遠い場合の光線図を示している。
【図１１】絞り部近傍における主光線の光軸に対する角度による違いを示した図である。
【図１２】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１３】図１２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】
【００１９】
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。
【００２０】
図１は、本発明の実施形態に係る撮像装置の一実施形態を示すブロック構成図である。
【００２１】
本実施形態に係る撮像装置１００は、光学系１１０、撮像素子１２０、アナログフロントエンド部（ＡＦＥ）１３０、画像処理装置１４０、カメラ信号処理部１５０、画像表示メモリ１６０、画像モニタリング装置１７０、操作部１８０、および制御装置１９０を有している。
【００２２】
光学系１１０は、被写体物体ＯＢＪを撮影した像を撮像素子１２０に供給する。また、光学系１１０は、絞り１１４が配置されている。
光学系１１０は、図２に示すようなレンズユニットを有する。
【００２３】
図２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１１０Ａは、物体側から順に、第１レンズ１１１、第２レンズ１１２、第３レンズ１１３、絞り１１４、第４レンズ１１５、第５レンズ１１６が配置されている。
本実施形態の収差制御光学系１１０Ａは、第４レンズ１１５と第５レンズ１１６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１１０Ａ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。
【００２４】
そして、本実施形態の収差制御光学系１１０Ａ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２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１１３ａは絞り１１４に隣接していることが好ましい。
本実施形態においては、後で詳述するように、収差制御部と絞りの間で、主光線が、光軸に集光する光線のうち絞りに接する光線を表すFno光線と交わらない。
そして、収差制御光学系１１０Ａにおいては、絞り近傍における主光線と光軸が略平行とみなせる。
【００２５】
撮像素子１２０は、アナログフロントエンド部１３０を介して、光学系１１０で取り込んだ像ＡＩＭを１次画像信号ＦＩＭとして画像処理装置１４０に出力する。
一般的に、撮像素子１２０としてはＣＣＤやＣＭＯＳセンサを使用する。図１においては、一例として、撮像素子１２０をＣＣＤとして記載している。
【００２６】
アナログフロントエンド部１３０は、タイミングジェネレータ１３１、およびアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ１３２を有する。
タイミングジェネレータ１３１では、撮像素子１２０のＣＣＤの駆動タイミングを生成しており、Ａ／Ｄコンバータ１３２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１４０に出力する。
【００２７】
信号処理部の一部を構成する画像処理装置（二次元コンボリューション手段）１４０は、前段のアナログフロントエンド部１３０から出力された１次画像信号ＦＩＭに対して、二次元のコンボリューション処理を施し２次画像信号ＳＩＭを生成し、後段のカメラ信号処理部（ＤＳＰ）１５０に渡す。
画像処理装置１４０は、１次画像信号ＦＩＭに対してボケのない２次画像信号ＳＩＭとする機能を有する。画像処理装置１４０の処理については後述のＤＥＯＳの基本原理にて詳細を説明する。
【００２８】
カメラ信号処理部（ＤＳＰ）１５０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、画像表示メモリ１６０への格納や画像モニタリング装置１７０への画像表示等を行う。
【００２９】
制御装置１９０は、露出制御を行うとともに、操作部１８０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、ＡＦＥ１３０、画像処理装置１４０、ＤＳＰ１５０等を制御し、システム全体の調停制御を司るものである。
【００３０】
本実施形態においては、深度拡張光学系システム（ＤＥＯＳ：Ｄｅｐｔｈ Ｅｘｐａｎｔｉｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）を採用することにより、画像処理がなくてもコントラストの高い適切な画質を達成し、また、画像処理を加えた場合でもノイズの影響が小さい復元画像を得ることができ、高精細な画質を得ることが可能となっている。
【００３１】
ここで、ＤＥＯＳの基本原理について説明する。
光学系において、収差制御素子を用いて、被写体距離による解像力とコントラストの変化をコントロールし、深度を拡張する。
被写体距離による解像力とコントラストの変化とは、要求される物体距離における被写体の分解能の変化のことを言う。
たとえば、被写体の大きさが一定の場合、近距離では、被写体像は画面に対して相対的に大きく、必要な分解能は相対的に荒くなる。一方、遠距離では、被写体像は画面に対して相対的に小さく、必要な分解能は相対的に細かくなる。
そこで、収差制御素子により、近距離では、低周波のＯＴＦを高くし、遠距離では、高周波のＯＴＦを高くするように光学伝達関数（ＯＴＦ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）をコントロールする。
【００３２】
以上のように、収差制御素子は、要求される物体距離におけるＯＴＦをコントロールする作用を有する。また、深度を拡張するとともにさらにコントラストを向上する作用を有する。
【００３３】
以下に、収差制御素子についてさらに具体的に説明する。
本実施形態の収差制御素子は、必要とされる物体距離におけるＯＴＦをコントロールし、かつ、コントラストを向上する作用を持たせるために、ディフォーカスのＭＴＦ（ＯＴＦの絶対値）のピークを２つ以上有することを特徴とする。
【００３４】
図３（Ａ）〜（Ｃ）は、ディフォーカスＭＴＦを示す図である。
【００３５】
図３（Ａ）は、通常の光学系のディフォーカスＭＴＦを示している。
通常光学系では焦点位置であるディフォーカスＭＴＦのピークが一つである。
ピークから外れた位置にある両サイドの山は一度ＭＴＦの値がゼロとなっており、偽解像となる。そのため、解像するディフォーカス範囲は網掛け部分となる。
【００３６】
図３（Ｂ）は、ＤＥＯＳのディフォーカスＭＴＦを示している。
ＤＥＯＳではピークが２つになっている。
ピーク位置では、通常の光学系よりもＭＴＦが低いが、ディフォーカスＭＴＦのピークを２分することにより、ディフォーカス範囲が広くなっていることが分かる。
つまり、深度を拡張していることが分かる。また、通常の光学系よりもＭＴＦが低くなるが、ピークを持たせることによりコントラストが向上していることが分かる。
【００３７】
図３（Ｃ）は、物体距離に対してほぼ一定のＭＴＦとした場合のディフォーカスＭＴＦを示している。
物体距離に対してほぼ一定のＯＴＦとするため、ディフォーカスＭＴＦにピークを複数持たせることができず、ＤＥＯＳよりも、特に、焦点から外れた位置でのコントラストが低くなる。
また、上述したように、遠距離で高周波のＯＴＦを高くすることや、近距離で低周波のＯＴＦを高くするようなコントロールができない。
【００３８】
次に、ＯＴＦをコントロールし、ディフォーカスＭＴＦのピークを分割する方法について説明する。
この作用を持たせる方法の一つとして、球面収差の変曲点と振幅をコントロールすることが挙げられる。
球面収差に変曲点を最低一つ以上持たせることにより、ディフォーカスＭＴＦのピークを分割することができる。また、振幅を大きくすることによりディフォーカス範囲を広げることができる。
【００３９】
図４（Ａ）〜（Ｃ）は、高周波のＯＴＦ変動を抑えたＤＥＯＳにおける任意の周波数でディフォーカスに対するＭＴＦのピークを２分できることを示す図である。
図５（Ａ）〜（Ｃ）は、低周波のＯＴＦ変動を抑えたＤＥＯＳにおける任意の周波数でディフォーカスに対するＭＴＦのピークを２分できることを示す図である。
図において、ＭＳＡＲは主像面シフト領域を示し、ＰＫ１１，ＰＫ１２はＭＴＦのピークを示す。
【００４０】
図４（Ａ）が球面収差カーブを示し、図４（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４（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。
図５（Ａ）が球面収差カーブを示し、図５（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５（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。
【００４１】
図５(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。
【００４２】
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１２０）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）
【００４３】
なお、本実施形態においては、収差制御素子を、中心と周辺で厚みが異なる光学素子（たとえば非球面レンズ）の形態で説明したが、本発明の収差制御素子の形態としては、収差を発生、制御させるものであればどのような形態でも構わない。
たとえば、屈折率が変化する光学素子（たとえば屈折率分布型レンズ）、レンズ表面へのコーティング等により厚み、屈折率が異なる光学素子（たとえば、ハイブリッドレンズ）、球面収差を制御可能な光学素子（たとえば、液晶レンズや液体レンズ）等の形態が挙げられる。
【００４４】
さらにコントラストが必要な場合は、画像処理を施す。
以下に、光学系を介して伝達した被写体像の強度分布から被写体の強度分布を求めるための画像処理について概略を説明する。
【００４５】
被写体のスペクトル分布Ｆ(s, t)から被写体像のスペクトル分布Ｇ(s, t)への光学伝達関数Ｈ(s, t)を介した伝達は図６に示す通りである。
これは、次のような式で表される。
【００４６】
［数１］
Ｇ(s, t)＝Ｈ(s, t)・Ｆ(s, t)
【００４７】
ただし、強度分布からスペクトル分布への変換は以下に示す２次元フーリエ逆変換で表され、ｘに関する空間周波数ｓと、ｙに関する空間周波数ｔについてのスペクトルを得ることができる。
また、光学伝達関数は、点像の強度分布ＰＳＦ（Ｐｏｉｎｔ−Ｓｐｒｅａｄ−Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を２次元フーリエ逆変換した関数である。
したがって、被写体像のスペクトル分布Ｇ(s, t)から被写体のスペクトル分布Ｆ(s, t)を求めるためには、次の処理を行えばよい。
【００４８】
［数２］
Ｆ(s, t)＝Ｇ(s, t)/Ｈ(s, t)
【００４９】
これを被写体像の強度分布ｇ(x, y)から被写体の強度分布ｆ(x, y)と光学系ｈ(x, y)の関係で表すと次の式で表される。
【００５０】
［数３］
ｆ＝h−１＊ｇ
ただし、h−１は逆関数を表す。
【００５１】
以上より、収差制御素子のＰＳＦ分布が既知であるため、被写体像の強度分布ｇ(x, y)から被写体の強度分布ｆ(x, y)を求めることができることが分かる。
上記画像処理は、スペクトル空間上の観点では、ＯＴＦを補正することである。簡易的に図示するため、以下では、ＯＴＦの絶対値であるＭＴＦで述べることとする。
【００５２】
図７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、最終的に必要とされるＭＴＦ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８に示すように、ＭＴＦ特性曲線Ａに対して、エッジ強調度（ＭＴＦ曲線Ｂに対するＭＴＦ曲線Ａの比）をかけて補正を行う。
【００５３】
図９は、ＤＥＯＳの基本構成を示すブロック図である。図９に示す例は画像処理がある場合である。
光学系１１０Ａはレンズと収差制御素子から構成される。
ＯＴＦをコントロールする作用をもつ収差制御素子を備えた光学系を通過した光が撮像素子に結像し、撮像素子から出力された出力信号に対して画像処理部でコントラストを向上し、画像復元を行う。
さらに、本実施形態においては、絞りと収差制御素子を適切に配置させることにより、画面全域に渡って深度の深い、適切な画質を得ることが可能となっている。
【００５４】
図１０（Ａ），（Ｂ）は、絞り位置の異なるＤＥＯＳの絞りに入射する光線図で、それぞれ、図１０（Ａ）は絞りが収差制御面に近い場合の光線図を示し、図１０（Ｂ）は絞りが収差制御面に遠い場合の光線図を示している。
以下では、収差制御面を符号１１３０で示す。
【００５５】
図１０（Ａ），（Ｂ）に示すように、絞り位置によって収差制御面の異なる位置を光線が通過する。
絞りのアパーチャー径を一定とした場合、絞りが近い場合に比べて、絞りが遠くなると対角像高の主光線と軸上の主光線が収差制御面の異なった場所を通過している。
図１０を例にとると、絞りを遠くした場合最周辺の主光線が、光軸に集光する光線のうち絞りに接する光線を表すFno光線とほぼ等しい位置を通過していることが分かる。
逆に絞り１１４と収差制御面１１３０の距離を一定とした場合、アパーチャー径φに依存して収差制御面１１３０を通過する主光線位置が異なる。
その場合、スポット形状が乱れ、画像復元を行うことが困難になる。
【００５６】
また、本実施形態の光学系は、絞り１１４と収差制御素子１１３０が隣接して、絞り部近傍における主光線と光軸が略平行となるようにし、収差制御面１１３０と絞り１１４の間で最周辺の主光線がFno光線と交わらないように構成されている。
この構成については、絞りに対して、さらに主光線角度がほぼ０度となることにより、収差制御面１１３０を通過する位置のバラツキを更に抑えることができることを示している。この場合、絞り１１４と収差制御面１１３０の距離が離れても問題がなくなる。
すなわち、本実施形態においては、絞り近傍における主光線と光軸が略平行とみなせる。
【００５７】
図１１（Ａ），（Ｂ）は、絞り部近傍における主光線の光軸に対する角度による違いを示した図である。
図１０を参照すると上光線、下光線がばらつけばそれに追従してスポット像も乱れが生じてくる。
そのため、絞り部近傍において主光線と光軸が略平行となるようにすることで収差制御素子の影響を抑えることができる。
また、φ／Ｄ＝１、α＝４５°が図１０（Ｂ）に記載された最周辺の主光線がFno光線と交わっている状態となる条件である。そのため、後述する条件式（１）と条件式（２）を満足することが望ましい。
【００５８】
また、本実施形態の光学は、絞りと収差制御素子が隣接して、絞り部近傍において主光線と光軸が略平行となるようにし、絞りに入射する最周辺主光線入射角度をαとすると、以下の条件式（１）と条件式（２）を満足するように構成される。
【００５９】
［数４］
φ／Ｄ＜１ ・・・（条件式１）
α＜４５° ・・・（条件式２）
【００６０】
なお、本実施形態において、光学系の収差制御素子を絞りより物体側に配置した例を示したが、絞りと同一あるいは絞りより像側に配置しても前記と同様の作用効果を得ることができる。
また、図２の光学系は一例であり、本発明は図２の光学系に対して用いられるものとは限らない。
【符号の説明】
【００６１】
１００・・・撮像装置、１１０・・・光学系、１１０Ａ・・・収差制御光学系、１１１・・・第１レンズ、１１２・・・第２レンズ、１１３・・・第３レンズ、１１３ａ・・・収差制御面、１１４・・・絞り、１１５・・・第４レンズ、１２０・・・撮像素子、１３０・・・アナログフロントエンド部（ＡＦＥ）、１４０・・・画像処理装置、１５０・・・カメラ信号処理部、１８０・・・操作部、１９０・・・制御装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像素子を用い、光学系を備えたデジタルスチルカメラや携帯電話搭載カメラ、携帯情報端末搭載カメラ、画像検査装置、自動制御用産業カメラ等の撮像装置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代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 Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、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１２は、一般的な撮像レンズ装置の構成を説明するための図である。
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１２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１３（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、幅広い物体距離に対してＯＴＦをほぼ一定となることを特徴とする位相板の効果により、点像（ＰＳＦ：Ｐｏｉｎｔ−Ｓｐｒｅａｄ−Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を回転非対称な形状とし、画像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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【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
【非特許文献】
【０００８】
【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】
【０００９】
上述した各文献にて提案された撮像装置において、通常光学系に上述の位相板を挿入した場合のＯＴＦが物体距離に対してほぼ一定になっていることが前提であり、コントラストが通常の光学系よりも劣化する。
たとえば、コードリーダのようなセンシングカメラの用途において、このようなコントラストの劣化は、読取り率の劣化等を引き起こす。
また、コントラストが必要なカメラ、たとえば、デジタルカメラや携帯端末用カメラにおいては、劣化したコントラストを向上させるためにコンボリューション等の画像処理を加えることにより、ノイズを増大させてしまう。
しかしながら、位相板を用いた光学設計ではこのコントラストの劣化を抑えることは困難である。
【００１０】
また、上記技術では、絞りを位相板から離した場合に、画面中心と周辺での位相が変化してしまうことにより、画面周辺の画像が良好な画質にならない。
特に、画像処理を加えた場合、復元画像に影響を与えてしまうという大きな問題を抱えている。さらに撮像素子への光線入射角度をコントロールしなければ画面中心と周辺のＰＳＦが変化してしまうことにより、復元を困難にする。
【００１１】
本発明の目的は、画像処理がなくてもコントラストの高い適切な画質を達成し、また、画像処理を加えた場合でもノイズの影響が小さい復元画像を得ることが可能で、かつ、画面全域にわたって、深度の深い、適切な画質を得ることを可能とする撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の観点の撮像装置は、収差を発生させて光学的伝達関数（ＯＴＦ）を変調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において前記収差制御部を通過する光束を制限する絞りと、前記収差制御光学系および絞りを通過した被写体像を撮像する撮像素子と、を有し、前記収差制御部と前記絞りの間で、主光線が、光軸に集光する光線のうち絞りに接する光線を表すFno光線と交わらない。
【００１３】
好適には、絞り近傍における主光線と光軸が略平行とみなせる。
【００１４】
好適には、以下の条件式（１）、（２）を満足する。
φ／Ｄ＜１ ・・・（１）
α＜４５° ・・・（２）
φ：絞り径
Ｄ：絞りと収差制御部のなす間隔
α：像高最周辺に結像する主光線の、絞り位置における、光軸に対する入射角度
【００１５】
好適には、前記収差制御部は、通常光学系のレンズ面に形成する収差制御面によって形成、もしくは通常光学系のレンズとは別の光学系である収差制御素子によって形成される。
【００１６】
好適には、前記撮像素子からの画像信号より収差（ボケ）のない画像信号を生成する変換手段を有する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、画像処理がなくてもコントラストの高い適切な画質を達成し、また、画像処理を加えた場合でもノイズの影響が小さい復元画像を得ることができる利点がある。さらに、画面全域に渡って、深度の深い、適切な画質を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る撮像装置の一実施形態を示すブロック構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る収差制御光学系を形成するレンズユニットの構成を示す図である。
【図３】ディフォーカスＭＴＦを示す図であって、（Ａ）は通常光学系のディフォーカスＭＴＦを示す図であり、（Ｂ）はＤＥＯＳのディフォーカスＭＴＦを示す図であり、（Ｃ）は物体距離に対してＯＴＦが一定となる光学系のディフォーカスＭＴＦを示す図である。
【図４】高周波のＯＴＦ変動を抑えたＤＥＯＳにおける任意の周波数でディフォーカスに対するＭＴＦのピークを２分できることを示す図であって、（Ａ）が球面収差カーブを示し、（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、（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。
【図５】低周波のＯＴＦ変動を抑えたＤＥＯＳにおける任意の周波数でディフォーカスに対するＭＴＦのピークを２分できることを示す図であって、（Ａ）が球面収差カーブを示し、（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、（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。
【図６】被写体のスペクトル分布F(s, t)から被写体像のスペクトル分布G(s, t)への光学伝達関数H(s, t)を介した伝達を表した図である。
【図７】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８】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９】ＤＥＯＳのブロック図である。
【図１０】絞り位置の異なるＤＥＯＳの収差制御部の光線図であって、（Ａ）は絞りが収差制御面に近い場合の光線図を示し、（Ｂ）は絞りが収差制御面に遠い場合の光線図を示している。
【図１１】絞り部近傍における主光線の光軸に対する角度による違いを示した図である。
【図１２】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１３】図１２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】
【００１９】
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。
【００２０】
図１は、本発明の実施形態に係る撮像装置の一実施形態を示すブロック構成図である。
【００２１】
本実施形態に係る撮像装置１００は、光学系１１０、撮像素子１２０、アナログフロントエンド部（ＡＦＥ）１３０、画像処理装置１４０、カメラ信号処理部１５０、画像表示メモリ１６０、画像モニタリング装置１７０、操作部１８０、および制御装置１９０を有している。
【００２２】
光学系１１０は、被写体物体ＯＢＪを撮影した像を撮像素子１２０に供給する。また、光学系１１０は、絞り１１４が配置されている。
光学系１１０は、図２に示すようなレンズユニットを有する。
【００２３】
図２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１１０Ａは、物体側から順に、第１レンズ１１１、第２レンズ１１２、第３レンズ１１３、絞り１１４、第４レンズ１１５、第５レンズ１１６が配置されている。
本実施形態の収差制御光学系１１０Ａは、第４レンズ１１５と第５レンズ１１６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１１０Ａ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。
【００２４】
そして、本実施形態の収差制御光学系１１０Ａ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２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１１３ａは絞り１１４に隣接していることが好ましい。
本実施形態においては、後で詳述するように、収差制御部と絞りの間で、主光線が、光軸に集光する光線のうち絞りに接する光線を表すFno光線と交わらない。
そして、収差制御光学系１１０Ａにおいては、絞り近傍における主光線と光軸が略平行とみなせる。
【００２５】
撮像素子１２０は、アナログフロントエンド部１３０を介して、光学系１１０で取り込んだ像ＡＩＭを１次画像信号ＦＩＭとして画像処理装置１４０に出力する。
一般的に、撮像素子１２０としてはＣＣＤやＣＭＯＳセンサを使用する。図１においては、一例として、撮像素子１２０をＣＣＤとして記載している。
【００２６】
アナログフロントエンド部１３０は、タイミングジェネレータ１３１、およびアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ１３２を有する。
タイミングジェネレータ１３１では、撮像素子１２０のＣＣＤの駆動タイミングを生成しており、Ａ／Ｄコンバータ１３２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１４０に出力する。
【００２７】
信号処理部の一部を構成する画像処理装置（二次元コンボリューション手段）１４０は、前段のアナログフロントエンド部１３０から出力された１次画像信号ＦＩＭに対して、二次元のコンボリューション処理を施し２次画像信号ＳＩＭを生成し、後段のカメラ信号処理部（ＤＳＰ）１５０に渡す。
画像処理装置１４０は、１次画像信号ＦＩＭに対してボケのない２次画像信号ＳＩＭとする機能を有する。画像処理装置１４０の処理については後述のＤＥＯＳの基本原理にて詳細を説明する。
【００２８】
カメラ信号処理部（ＤＳＰ）１５０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、画像表示メモリ１６０への格納や画像モニタリング装置１７０への画像表示等を行う。
【００２９】
制御装置１９０は、露出制御を行うとともに、操作部１８０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、ＡＦＥ１３０、画像処理装置１４０、ＤＳＰ１５０等を制御し、システム全体の調停制御を司るものである。
【００３０】
本実施形態においては、深度拡張光学系システム（ＤＥＯＳ：Ｄｅｐｔｈ Ｅｘｐａｎｔｉｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）を採用することにより、画像処理がなくてもコントラストの高い適切な画質を達成し、また、画像処理を加えた場合でもノイズの影響が小さい復元画像を得ることができ、高精細な画質を得ることが可能となっている。
【００３１】
ここで、ＤＥＯＳの基本原理について説明する。
光学系において、収差制御素子を用いて、被写体距離による解像力とコントラストの変化をコントロールし、深度を拡張する。
被写体距離による解像力とコントラストの変化とは、要求される物体距離における被写体の分解能の変化のことを言う。
たとえば、被写体の大きさが一定の場合、近距離では、被写体像は画面に対して相対的に大きく、必要な分解能は相対的に荒くなる。一方、遠距離では、被写体像は画面に対して相対的に小さく、必要な分解能は相対的に細かくなる。
そこで、収差制御素子により、近距離では、低周波のＯＴＦを高くし、遠距離では、高周波のＯＴＦを高くするように光学伝達関数（ＯＴＦ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）をコントロールする。
【００３２】
以上のように、収差制御素子は、要求される物体距離におけるＯＴＦをコントロールする作用を有する。また、深度を拡張するとともにさらにコントラストを向上する作用を有する。
【００３３】
以下に、収差制御素子についてさらに具体的に説明する。
本実施形態の収差制御素子は、必要とされる物体距離におけるＯＴＦをコントロールし、かつ、コントラストを向上する作用を持たせるために、ディフォーカスのＭＴＦ（ＯＴＦの絶対値）のピークを２つ以上有することを特徴とする。
【００３４】
図３（Ａ）〜（Ｃ）は、ディフォーカスＭＴＦを示す図である。
【００３５】
図３（Ａ）は、通常の光学系のディフォーカスＭＴＦを示している。
通常光学系では焦点位置であるディフォーカスＭＴＦのピークが一つである。
ピークから外れた位置にある両サイドの山は一度ＭＴＦの値がゼロとなっており、偽解像となる。そのため、解像するディフォーカス範囲は網掛け部分となる。
【００３６】
図３（Ｂ）は、ＤＥＯＳのディフォーカスＭＴＦを示している。
ＤＥＯＳではピークが２つになっている。
ピーク位置では、通常の光学系よりもＭＴＦが低いが、ディフォーカスＭＴＦのピークを２分することにより、ディフォーカス範囲が広くなっていることが分かる。
つまり、深度を拡張していることが分かる。また、通常の光学系よりもＭＴＦが低くなるが、ピークを持たせることによりコントラストが向上していることが分かる。
【００３７】
図３（Ｃ）は、物体距離に対してほぼ一定のＭＴＦとした場合のディフォーカスＭＴＦを示している。
物体距離に対してほぼ一定のＯＴＦとするため、ディフォーカスＭＴＦにピークを複数持たせることができず、ＤＥＯＳよりも、特に、焦点から外れた位置でのコントラストが低くなる。
また、上述したように、遠距離で高周波のＯＴＦを高くすることや、近距離で低周波のＯＴＦを高くするようなコントロールができない。
【００３８】
次に、ＯＴＦをコントロールし、ディフォーカスＭＴＦのピークを分割する方法について説明する。
この作用を持たせる方法の一つとして、球面収差の変曲点と振幅をコントロールすることが挙げられる。
球面収差に変曲点を最低一つ以上持たせることにより、ディフォーカスＭＴＦのピークを分割することができる。また、振幅を大きくすることによりディフォーカス範囲を広げることができる。
【００３９】
図４（Ａ）〜（Ｃ）は、高周波のＯＴＦ変動を抑えたＤＥＯＳにおける任意の周波数でディフォーカスに対するＭＴＦのピークを２分できることを示す図である。
図５（Ａ）〜（Ｃ）は、低周波のＯＴＦ変動を抑えたＤＥＯＳにおける任意の周波数でディフォーカスに対するＭＴＦのピークを２分できることを示す図である。
図において、ＭＳＡＲは主像面シフト領域を示し、ＰＫ１１，ＰＫ１２はＭＴＦのピークを示す。
【００４０】
図４（Ａ）が球面収差カーブを示し、図４（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４（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。
図５（Ａ）が球面収差カーブを示し、図５（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５（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。
【００４１】
図５(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。
【００４２】
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１２０）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）
【００４３】
なお、本実施形態においては、収差制御素子を、中心と周辺で厚みが異なる光学素子（たとえば非球面レンズ）の形態で説明したが、本発明の収差制御素子の形態としては、収差を発生、制御させるものであればどのような形態でも構わない。
たとえば、屈折率が変化する光学素子（たとえば屈折率分布型レンズ）、レンズ表面へのコーティング等により厚み、屈折率が異なる光学素子（たとえば、ハイブリッドレンズ）、球面収差を制御可能な光学素子（たとえば、液晶レンズや液体レンズ）等の形態が挙げられる。
【００４４】
さらにコントラストが必要な場合は、画像処理を施す。
以下に、光学系を介して伝達した被写体像の強度分布から被写体の強度分布を求めるための画像処理について概略を説明する。
【００４５】
被写体のスペクトル分布Ｆ(s, t)から被写体像のスペクトル分布Ｇ(s, t)への光学伝達関数Ｈ(s, t)を介した伝達は図６に示す通りである。
これは、次のような式で表される。
【００４６】
［数１］
Ｇ(s, t)＝Ｈ(s, t)・Ｆ(s, t)
【００４７】
ただし、強度分布からスペクトル分布への変換は以下に示す２次元フーリエ逆変換で表され、ｘに関する空間周波数ｓと、ｙに関する空間周波数ｔについてのスペクトルを得ることができる。
また、光学伝達関数は、点像の強度分布ＰＳＦ（Ｐｏｉｎｔ−Ｓｐｒｅａｄ−Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を２次元フーリエ逆変換した関数である。
したがって、被写体像のスペクトル分布Ｇ(s, t)から被写体のスペクトル分布Ｆ(s, t)を求めるためには、次の処理を行えばよい。
【００４８】
［数２］
Ｆ(s, t)＝Ｇ(s, t)/Ｈ(s, t)
【００４９】
これを被写体像の強度分布ｇ(x, y)から被写体の強度分布ｆ(x, y)と光学系ｈ(x, y)の関係で表すと次の式で表される。
【００５０】
［数３］
ｆ＝h−１＊ｇ
ただし、h−１は逆関数を表す。
【００５１】
以上より、収差制御素子のＰＳＦ分布が既知であるため、被写体像の強度分布ｇ(x, y)から被写体の強度分布ｆ(x, y)を求めることができることが分かる。
上記画像処理は、スペクトル空間上の観点では、ＯＴＦを補正することである。簡易的に図示するため、以下では、ＯＴＦの絶対値であるＭＴＦで述べることとする。
【００５２】
図７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、最終的に必要とされるＭＴＦ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８に示すように、ＭＴＦ特性曲線Ａに対して、エッジ強調度（ＭＴＦ曲線Ｂに対するＭＴＦ曲線Ａの比）をかけて補正を行う。
【００５３】
図９は、ＤＥＯＳの基本構成を示すブロック図である。図９に示す例は画像処理がある場合である。
光学系１１０Ａはレンズと収差制御素子から構成される。
ＯＴＦをコントロールする作用をもつ収差制御素子を備えた光学系を通過した光が撮像素子に結像し、撮像素子から出力された出力信号に対して画像処理部でコントラストを向上し、画像復元を行う。
さらに、本実施形態においては、絞りと収差制御素子を適切に配置させることにより、画面全域に渡って深度の深い、適切な画質を得ることが可能となっている。
【００５４】
図１０（Ａ），（Ｂ）は、絞り位置の異なるＤＥＯＳの絞りに入射する光線図で、それぞれ、図１０（Ａ）は絞りが収差制御面に近い場合の光線図を示し、図１０（Ｂ）は絞りが収差制御面に遠い場合の光線図を示している。
以下では、収差制御面を符号１１３０で示す。
【００５５】
図１０（Ａ），（Ｂ）に示すように、絞り位置によって収差制御面の異なる位置を光線が通過する。
絞りのアパーチャー径を一定とした場合、絞りが近い場合に比べて、絞りが遠くなると対角像高の主光線と軸上の主光線が収差制御面の異なった場所を通過している。
図１０を例にとると、絞りを遠くした場合最周辺の主光線が、光軸に集光する光線のうち絞りに接する光線を表すFno光線とほぼ等しい位置を通過していることが分かる。
逆に絞り１１４と収差制御面１１３０の距離を一定とした場合、アパーチャー径φに依存して収差制御面１１３０を通過する主光線位置が異なる。
その場合、スポット形状が乱れ、画像復元を行うことが困難になる。
【００５６】
また、本実施形態の光学系は、絞り１１４と収差制御素子１１３０が隣接して、絞り部近傍における主光線と光軸が略平行となるようにし、収差制御面１１３０と絞り１１４の間で最周辺の主光線がFno光線と交わらないように構成されている。
この構成については、絞りに対して、さらに主光線角度がほぼ０度となることにより、収差制御面１１３０を通過する位置のバラツキを更に抑えることができることを示している。この場合、絞り１１４と収差制御面１１３０の距離が離れても問題がなくなる。
すなわち、本実施形態においては、絞り近傍における主光線と光軸が略平行とみなせる。
【００５７】
図１１（Ａ），（Ｂ）は、絞り部近傍における主光線の光軸に対する角度による違いを示した図である。
図１０を参照すると上光線、下光線がばらつけばそれに追従してスポット像も乱れが生じてくる。
そのため、絞り部近傍において主光線と光軸が略平行となるようにすることで収差制御素子の影響を抑えることができる。
また、φ／Ｄ＝１、α＝４５°が図１０（Ｂ）に記載された最周辺の主光線がFno光線と交わっている状態となる条件である。そのため、後述する条件式（１）と条件式（２）を満足することが望ましい。
【００５８】
また、本実施形態の光学は、絞りと収差制御素子が隣接して、絞り部近傍において主光線と光軸が略平行となるようにし、絞りに入射する最周辺主光線入射角度をαとすると、以下の条件式（１）と条件式（２）を満足するように構成される。
【００５９】
［数４］
φ／Ｄ＜１ ・・・（条件式１）
α＜４５° ・・・（条件式２）
【００６０】
なお、本実施形態において、光学系の収差制御素子を絞りより物体側に配置した例を示したが、絞りと同一あるいは絞りより像側に配置しても前記と同様の作用効果を得ることができる。
また、図２の光学系は一例であり、本発明は図２の光学系に対して用いられるものとは限らない。
【符号の説明】
【００６１】
１００・・・撮像装置、１１０・・・光学系、１１０Ａ・・・収差制御光学系、１１１・・・第１レンズ、１１２・・・第２レンズ、１１３・・・第３レンズ、１１３ａ・・・収差制御面、１１４・・・絞り、１１５・・・第４レンズ、１２０・・・撮像素子、１３０・・・アナログフロントエンド部（ＡＦＥ）、１４０・・・画像処理装置、１５０・・・カメラ信号処理部、１８０・・・操作部、１９０・・・制御装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
収差を発生させて光学的伝達関数（ＯＴＦ）を変調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において前記収差制御部を通過する光束を制限する絞りと、
前記収差制御光学系および絞りを通過した被写体像を撮像する撮像素子と、を有し、
前記収差制御部と前記絞りの間で、主光線が、光軸に集光する光線のうち絞りに接する光線を表すFno光線と交わらない
撮像装置。
【請求項２】
絞り近傍における主光線と光軸が略平行とみなせる
請求項１記載の撮像装置。
【請求項３】
以下の条件式（１）、（２）を満足する
請求項１または２記載の撮像装置。
φ／Ｄ＜１ ・・・（１）
α＜４５° ・・・（２）
φ：絞り径
Ｄ：絞りと収差制御部のなす間隔
α：像高最周辺に結像する主光線の、絞り位置における、光軸に対する入射角度
【請求項４】
前記収差制御部は、
通常光学系のレンズ面に形成する収差制御面によって形成、もしくは通常光学系のレンズとは別の光学系である収差制御素子によって形成される
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】
前記撮像素子からの画像信号より収差（ボケ）のない画像信号を生成す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１】
収差を発生させて光学的伝達関数（ＯＴＦ）を変調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において前記収差制御部を通過する光束を制限する絞りと、
前記収差制御光学系および絞りを通過した被写体像を撮像する撮像素子と、を有し、
前記収差制御部と前記絞りの間で、主光線が、光軸に集光する光線のうち絞りに接する光線を表すFno光線と交わらない
撮像装置。
【請求項２】
絞り近傍における主光線と光軸が略平行とみなせる
請求項１記載の撮像装置。
【請求項３】
以下の条件式（１）、（２）を満足する
請求項１または２記載の撮像装置。
φ／Ｄ＜１ ・・・（１）
α＜４５° ・・・（２）
φ：絞り径
Ｄ：絞りと収差制御部のなす間隔
α：像高最周辺に結像する主光線の、絞り位置における、光軸に対する入射角度
【請求項４】
前記収差制御部は、
通常光学系のレンズ面に形成する収差制御面によって形成、もしくは通常光学系のレンズとは別の光学系である収差制御素子によって形成される
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】
前記撮像素子からの画像信号より収差（ボケ）のない画像信号を生成す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。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−１１２９６８（Ｐ２０１１−１１２９６８Ａ）
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７０７９４（Ｐ２００９−２７０７９４）
【出願日】平成２１年１１月２７日（２００９．１１．２７）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月２７日（２００９．１１．２７）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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