撮像装置
【課題】 軸上及び画角を有する軸外光束に対しても収差を良好に補正することができ、画面全体にわたり高い光学性能が得られる撮像装置を得ること。
【解決手段】 撮像素子と、被写体からの光束を用いて前記撮像素子上に前記被写体の像を形成する撮像光学系と、前記撮像光学系の瞳面に配置され、前記被写体からの光束の位相状態を変調する位相変調素子と、前記位相変調素子を制御する変調素子制御手段と、前記撮像素子を複数のエリアに分割し、前記分割した複数のエリアごとに前記撮像素子上の像の情報を時分割読み出しする撮像素子制御手段を備え、
前記撮像素子制御手段で分割した複数のエリアごとに前記分割された像の情報の読み出しを行う際、前記読み出しを行うエリアでの波面収差が小さくなるように、前記変調素子制御手段が前記位相変調素子を制御すること。
【解決手段】 撮像素子と、被写体からの光束を用いて前記撮像素子上に前記被写体の像を形成する撮像光学系と、前記撮像光学系の瞳面に配置され、前記被写体からの光束の位相状態を変調する位相変調素子と、前記位相変調素子を制御する変調素子制御手段と、前記撮像素子を複数のエリアに分割し、前記分割した複数のエリアごとに前記撮像素子上の像の情報を時分割読み出しする撮像素子制御手段を備え、
前記撮像素子制御手段で分割した複数のエリアごとに前記分割された像の情報の読み出しを行う際、前記読み出しを行うエリアでの波面収差が小さくなるように、前記変調素子制御手段が前記位相変調素子を制御すること。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は撮像装置に属し、撮像光学系の光路中に撮像光学系における収差を効果的に補正する補正手段、例えば位相変調素子を設けたデジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、ＴＶカメラ等に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
撮像光学系では収差を補正するために種々な方法が用いられている。例えば広画角の撮像光学系などでは非球面レンズを用い、画角の大きい光束に対して収差補正を行っている。撮像画角が大きくなるほど（広画角になるほど）コマ収差や像面湾曲／非点収差などが多く発生する。このためこれらの収差を補正するため、レンズ枚数を増やしたり、非球面レンズを用いたりしている。
【０００３】
撮像光学系に用いられている光学素子（レンズ）は、形状が不変である。このため、ある画角（ズーム位置）またはフォーカス位置において最適な曲率や非球面形状のレンズ面であっても、他の画角（ズーム位置）やフォーカス位置では必ずしも最適な形状であるとは限らない。
【０００４】
このため、従来より反射型の位相変調素子を光学系内に挿入し、各ズーム位置及びフォーカス位置などに応じて最適な波面変調を行うことで、曲率や非球面係数を動的に動かすのと同等の効果を与えて収差補正を行った撮像装置が知られている（特許文献１）。また、液晶素子を用いて、光ディスクの厚さ誤差やチルト等により発生する収差を補正した光ディスクのピックアップ装置が知られている（特許文献２）。
【０００５】
一般に、光学系の収差は、全て光学系の瞳上における瞳収差として表現することができる。そこで、光学系の瞳上に位相変調素子を挿入することにより、球面収差の補正や、逆に球面収差を付加することで、ソフトフォーカス効果を得た結像光学系が知られている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−００４４９６号公報
【特許文献２】特開２００１−２４９３１５号公報
【特許文献３】特開昭６１−１３７１２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
また、ズーム位置やフォーカス位置に連動して反射型の位相変調素子の形状を変化させて、撮像光学系の収差補正を行う方法は、広画角になるほど単一の非球面形状では画面全域の収差補正が困難である。このためこの方法は残存収差が多くなる傾向がある。
【０００８】
本発明は、軸上及び画角を有する軸外光束に対しても収差を良好に補正することができ、画面全体にわたり高い光学性能が得られる撮像装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の撮像装置は、撮像素子と、被写体からの光束を用いて前記撮像素子上に前記被写体の像を形成する撮像光学系と、前記撮像光学系の瞳面に配置され、前記被写体からの光束の位相状態を変調する位相変調素子と、前記位相変調素子を制御する変調素子制御手段と、前記撮像素子を複数のエリアに分割し、前記分割した複数のエリアごとに前記撮像素子上の像の情報を時分割読み出しする撮像素子制御手段を備え、
前記撮像素子制御手段で分割した複数のエリアごとに前記分割された像の情報の読み出しを行う際、前記読み出しを行うエリアでの波面収差が小さくなるように、前記変調素子制御手段が前記位相変調素子を制御することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、撮像素子を複数のエリアに分割し、分割した複数のエリアに対応した各画角に対する波面収差の補正を撮像光学系の瞳上で行うことで、各画角に対し最も効率的に収差補正を行い、高い光学性能を有した撮像装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１の説明図である
【図２】実施例１における像面上のエリア分割パターンを示す図である
【図３】（ａ）〜（ｄ）実施例１における波面収差を示す図である
【図４】（ａ）〜（ｄ）実施例１における、位相変調素子の変調前と変調後のスポットを示す図である
【図５】本発明の実施例２の説明図である
【図６】実施例２における画角と波面収差量の関係を示す図である
【図７】実施例２における各エリア内の画角位置を示す図である
【図８】実施例２における、エリアｉ１の位相変調素子による変調前と変調後のスポットを示す図である
【図９】実施例２における、エリアｉ１の位相変調素子による変調前と変調後の波面収差を示す図である
【図１０】実施例２における、エリアｉ１において位相変調素子に与えた位相変調量を示す図である
【図１１】実施例２における、エリアｄ１の位相変調素子による変調前と変調後のスポットを示す図である
【図１２】実施例２における、エリアｄ１の位相変調素子による変調前と変調後の波面収差を示す図である
【図１３】実施例２における、エリアｄ１において位相変調素子に与えた位相変調量を示す図である
【図１４】実施例２における、エリアａの位相変調素子による変調前と変調後のスポットを示す図である
【図１５】実施例２における、エリアａの位相変調素子による変調前と変調後の波面収差を示す図である
【図１６】実施例２における、エリアａにおいて位相変調素子に与えた位相変調量を示す図である
【図１７】（ａ）〜（ｃ）本発明の実施例３の説明図である
【図１８】（ａ）（ｂ）実施例３における画角と波面収差量の関係を示す図である
【図１９】（ａ）（ｂ）実施例３における、像面上のエリア分割パターンを示す図である
【図２０】実施例３における、エリアｉ１（ワイド側）の位相変調素子による変調前と変調後のスポットを示す図である
【図２１】実施例３における、エリアｉ１（ワイド側）の位相変調素子による変調前と変調後の波面収差を示す図である
【図２２】実施例３における、エリアｉ１（ワイド側）において位相変調素子に与えた位相変調量を示す図である
【図２３】実施例３における、エリアｄ１（ワイド側）の位相変調素子による変調前と変調後のスポットを示す図である
【図２４】実施例３における、エリアｄ１（ワイド側）の位相変調素子による変調前と変調後の波面収差を示す図である
【図２５】実施例３における、エリアｄ１（ワイド側）において位相変調素子に与えた位相変調量を示す図である
【図２６】実施例３における、エリアａ（ワイド側）の位相変調素子による変調前と変調後のスポットを示す図である
【図２７】実施例３における、エリアａ（ワイド側）の位相変調素子による変調前と変調後の波面収差を示す図である
【図２８】実施例３における、エリアａ（ワイド側）において位相変調素子に与えた位相変調量を示す図である
【図２９】実施例３における、エリアｄ１’（テレ側）の位相変調素子による変調前と変調後のスポットを示す図である
【図３０】実施例３における、エリアｄ１’（テレ側）の位相変調素子による変調前と変調後の波面収差を示す図である
【図３１】実施例３における、エリアｄ１’（テレ側）において位相変調素子に与えた位相変調量を示す図である
【図３２】実施例３における、エリアａ’（テレ側）の位相変調素子による変調前と変調後のスポットを示す図である
【図３３】実施例３における、エリアａ’（テレ側）の位相変調素子による変調前と変調後の波面収差を示す図である
【図３４】実施例３における、エリアａ’（テレ側）において位相変調素子に与えた位相変調量を示す図である
【図３５】実施例３における、エリア内各点への重み付けの例を示す図である
【図３６】実施例３における、ＬＵＴからデータを読み出し撮像を行うまでの過程の例を示した図である
【図３７】本発明における実施例４を説明する図である
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の撮像装置について説明する。本発明の撮像装置は、単一の焦点距離より成る、又はズーム機能を有する撮像光学系１０５により外界（被写体）の画像情報をＣＣＤやＣＭＯＳ型の撮像素子１０２上に形成している。撮像光学系１０５の瞳面１０３又はその近傍に入射波面の位相状態を変調し、出射させる位相変調素子１０１を配置している。ここで瞳面とは軸外主光線が光軸と交差する点における光軸と垂直な面のことである。
【００１３】
位相変調素子１０１で、通過光束に付与する位相量を制御する変調素子制御手段１０８と、撮像素子１０２を３つ以上の複数のエリアに分割し、分割した複数のエリアごとに画像情報を時分割読み出しする撮像素子制御手段１０９を備えている。撮像素子制御手段１０９で分割した複数のエリアごとに画像情報の分割読み出しを行う際には変調素子制御手段１０８は、撮像素子１０２における分割エリア毎に、そのエリアでの波面収差が小さくなるようにする。即ち位相変調素子１０１で、通過光束に付与する位相量を変調する。ここで波面収差とは各種の収差が重畳して生ずる収差に相当している。
【００１４】
ここで分割した複数のエリアのうち、撮像素子１０２の中心を含むエリアは面積が一番大きいかまたは他のエリアと同じである。この他、分割エリアの数は撮像光学系１０５のズーム位置により変化させている。例えばテレ端に比べて広角端の方が多いようにしている。位相変調素子１０１で変調される位相量は分割エリアの中心における波面収差が最も小さくなるようにしている。または分割エリア内の波面収差の平均を算出し、その平均値と同等の波面収差を有するポイントの波面収差が最も小さくなるようにしている。この他、分割エリア内の波面収差にある重み付けを行ない、エリア内の最も重み付けの高いポイントの波面収差が最も小さくなるように位相変調を行っている。また位相変調素子を部分的に厚さを可変とする素子より構成しても良い。
【００１５】
［実施例１］
図１は本発明の実施例１の要部概略図である。図１は特開昭４９−０９４３２５号公報において記載されている広角レンズ（光学系）（撮像光学系）に、本発明に係る位相変調素子１０１を加えた要部概略図である。なお、以下の説明では波面収差の算出にはｄ線（５９４ｎｍ）における波面収差を利用する。もちろん、光学系を利用する波長により選択される波長は自由に選択できる。また、広帯域の波長を利用する場合には、その中間値の波長を用いたり、波長に重み付けした波面収差の平均値を用いたりするなど、他の算出方法も適用可能である。また、実施例１と以下に示す実施例２では撮像素子１０２のアスペクト比を３：２に規定したが、撮像素子１０２のアスペクト比はこれに限らない。
【００１６】
図１において光学系１０５は、半画角４２ｄｅｇの撮影画角を有する広角レンズである。本実施例では光学系１０５の瞳１０３の位置又はその近傍に位相変調素子１０１を配置している。位相変調素子１０１としては、例えば液晶や非線形結晶など、電圧を付加することにより材料の屈折率を変化可能なものが挙げられる。また、位相変調素子１０１としては物理的に透過材料の厚みを変えられるような素子でも構わない。また部分的に厚さを可変とする素子でも良い。
【００１７】
本実施例における位相変調素子１０１における位相遅れ量は材料（この場合液晶）の屈折率の変化量と液晶層２０１の厚さの積から位相変調量が決まる。屈折率の変化量をΔｎ、材料の厚さをＴ、使用波長をλとしたとき、位相変調量Δφは
Δφ＝Δｎ＊Ｔ／λ
となる。このように屈折率の変化を利用することで、入射波面に対する射出波面の位相を変調させることができる。このような屈折率の変化は液晶素子に限らず、ポッケルス効果やカー効果のような非線形光学特性を有する材料（非線形結晶素子）を用いても実現することができる。ただし、液晶や結晶の屈折率の変化は偏光依存性を有する。このため撮像光学系（光学系）に利用する場合、例えば論文文献１（「光学」 ２００７年３６巻第３号 ｐｐ１４９〜１５３）に記されているように、２枚の液晶の偏光依存方向が直交するよう重ね合わせ、偏光依存性を低減させる方法などを利用することができる。
【００１８】
また、ゲル状や液体のような屈折率が1以上の透明体を物理的に移動可能なもので挟み込み、部分的に厚さを変化させて（可変として）も位相変調を行うこともできる。この場合、厚さの差分と材料の屈折率で位相変調量が決定する。
【００１９】
本実施例中で、例えばＣＭＯＳ型の撮像素子１０２が図２に示すように撮像素子制御手段１０９で複数のエリアに分割されるとする。
【００２０】
本実施例では、分割数は９であり、分割エリアの面積は９つのエリア３０１の全てで等しい面積とする。分割数は３つ以上あればいくつでも良い。ここで、各エリア３０１の中心画角に対応した波面収差を図３に示す。図３（ａ）〜（ｄ）では、図１に示した断面内においての各画角の波面収差を示している。なお、本実施例の光学系では回転対称な光学系を採用しているため、例えばエリアｄ２〜ｄ４の波面収差は、エリアｄ１の波面収差と同じ形状で、光軸１０６を中心に回転させた形状となる。エリアｂ１、ｂ２における波面収差も同様に、それぞれ光軸１０６を中心に対称な形状を有する。エリアｃ１、ｃ２も同様である。
【００２１】
図３（ａ）は図２のエリアａに相当し、図３（ｂ）は図２のエリアｂ１、ｂ２に相当し、図３（ｃ）は図２のエリアｃ１、ｃ２に相当し、図３（ｄ）は図２のエリアｄ１〜ｄ４に相当している。
【００２２】
このとき、例えば各エリア３０１の中心画角に対し図３（ａ）〜（ｄ）で示した波面収差をキャンセルさせるように、変調素子制御手段１０８で位相変調素子１０１を変調させる。具体的には、位相変調素子１０１を変調させ位相遅れを発生させ、瞳１０３上の波面分布の差分が０に近付くようにする。このとき、波面収差が完全に０になる必要は無く、撮像光学系として十分な光学性能を保持できるだけの波面収差が残存しても構わない。本実施例では、図３で示した波面収差が２０ｍλ以下になるまで補正を行っている。
【００２３】
次に撮像する際の位相変調の流れを以下に示す。撮像開始とともに制御手段１０７は、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）１０４を参照する。ＬＵＴ１０４は発生させる位相変調量を分割されるエリアに応じて決定している。そしてそこで必要となる位相変調量を抽出する。ここで位相変調素子１０１用の位相変調素子制御手段１０８と、撮像素子１０２用の撮像素子制御手段１０９に対し、時分割で読み出しを行うエリアと、そのエリアで必要となる位相変調量の情報を制御手段１０７から送り出す。送り出された情報を元に、変調素子制御手段１０８と、撮像素子制御手段１０９はそれぞれ位相変調素子１０１と撮像素子１０２の制御を行う。例えば撮像素子１０２上のエリアａの画像情報の読み出しを行う際には、位相変調素子制御手段１０８は画角０の波面収差をキャンセルするだけの位相差を位相変調素子１０１に対して時分割で与える。これに同期して撮像素子制御手段１０９は撮像素子１０２上のエリアａだけから画像情報を読み出す。
【００２４】
同様にエリアｂ１〜ｄ４まで各エリアの撮像の際に、その中心画角の波面収差を補正するような位相差を位相変調素子１０１に与えるよう変調素子制御手段１０８で制御を行う。そして撮像素子１０２上のエリアのそれぞれに対し同様に時間的に異なるタイミングで時分割して画像情報の読み出しを行うように分割読出手段を含む撮像素子制御手段１０９で制御を行う。位相変調素子１０１の各エリア３０１に対する与える位相差は、ＬＵＴ１０４に保存された波面収差補正量のデータに基づき決定される。ＬＵＴ１０４には、エリア３０１の各々に対応した波面収差補正量が保存されている。なお、波面収差補正量とは、光学系１０５の画角に対する補正量だけでなく、光学系１０５に対するフォーカス位置に応じた補正量が組み込まれていても構わない。また、本実施例では単焦点距離の光学系の補正に関して説明しているが、例えばズームレンズの場合には、各ズーム位置に応じた補正量をＬＵＴ１０４に組み込み、焦点距離ごとに補正量を変化させればよい。
【００２５】
表１は、各エリアの有する画角及び撮像素子１０２上での各エリアの範囲を示した表である。表中でｘは画面の長手方向、ｙはｘに垂直な方向を示す。画面中心（共軸系の場合光軸）を０ｄｅｇとしている。この座標方向は以下の実施例についても同様である。また、エリアｂ１とｂ２はｘ軸対称、エリアｃ１とｃ２はｙ軸対称、エリアｄ１〜ｄ４は光軸１０６に対して回転対称のため、夫々エリアａをＡｒｅａＡ、ｂ１の値をＡｒｅａＢ、エリアｃ１の値をＡｒｅａＣ、エリアｄ１の値をＡｒｅａＤとして示している。その他のエリアｂ２やｃ２、エリアｄ２〜ｄ４の値は表１の各ＡｒｅａＣ〜Ｄの値の符号を変えるだけでよい。例えばエリアｄ２はＡｒｅａＤの値のｙの符号を反転させれば良い。同様にエリアｄ４ではｘ，ｙ両方の符号を、エリアｄ３ではｘの符号を反転させれば良い。以下の実施例に関しても同様に、対称な関係にあるエリアはその中で番号の最も小さなエリアの値を示している。
【００２６】
各エリアの座標の値は最大画角における撮像素子１０２上でのｘ座標、ｙ座標をそれぞれ１としたときの比率を表す。図４（ａ）〜図４（ｄ）は位相変調素子１０１で波面変調を行う前と、行った後の各エリア２０１の中心画角におけるスポット形状である。図４（ａ）〜図４（ｄ）にあるように、波面変調を行う前と後で、スポット形状が大幅に改善されているのが分かる。
【００２７】
このように、光学系１０５の瞳位置１０３に位相変調素子１０１を挿入し、撮像素子１０２上複数のエリアを分割して、各エリア毎に最適な波面収差補正を位相変調素子１０１で行うことで、光学系の収差補正を良好に行うことができる。また、撮像用の光学系の場合、画角の大きい光束に対して、光学性能の向上のために瞳光束の一部をケルことで収差を低減する場合がある。しかし、本手法を用いれば最外縁の画角に対しても収差補正を行えるため、周辺画角でのケラレ量を小さくすることが可能になり、周辺光量の向上を見込むこともできる。なお、光学系が非回転対称な場合、波面収差の形状は分割エリアそれぞれに対して異なる形状を有する場合も考えられる。その場合は、テーブル内にそれぞれ異なる形状の波面収差補正量を組み込めばよい。
【００２８】
また、このように撮像素子１０２でエリア分割を行う場合、撮像素子１０２としてはライン読み出しを行うＣＣＤより、画素単位の読み出しを行うＣＭＯＳ型の撮像素子が望ましい。ＣＭＯＳ型の撮像素子を用いることで、撮像素子の読み出しエリアを変更することも容易になる。
【００２９】
【表１】
【００３０】
［実施例２］
次に本発明の実施例２について説明する。本実施例における光学系は実施例１と同じものである。また、以下の図において図番が同じものは同じ機能を有するものであるため、説明を省略する。実施例１の場合、撮像素子上１０２を等面積の９つのエリアに分割した。しかしながら、波面収差は図６にあるように、撮像素子の周辺（大きな画角）になるほど増大し、同じエリア内でも波面収差の大きさが大きく異なることがある。
【００３１】
逆に、画面の中間画角付近で波面収差が最大になり、周辺で再度小さくなる場合もある。このため、エリアの中心の波面収差を適用した場合、エリア周辺では逆に収差が悪化してスポット形状が崩れてしまう。このため、原理的には１エリア＝１画素となるようにして波面収差を補正するのが望ましいが、撮像時間が長時間になったり、位相変調素子に超高速の変調速度が必要になり、あまり分割数を増やすのは望ましくない。
【００３２】
そこで、本実施例では図５のように波面収差の変化量の小さい画面中心付近は大きなエリア（面積）で、そして画面周辺になるほど同じか又は細かいエリアに分割している。これにより、上記逆補正問題を解決しながらエリア分割数を減らしている。また、画面周辺のエリアでもスポット形状の崩れを抑えることができる。さらに、同じ撮像時間内における位相変調素子１０１の変調回数も少なくなるため、位相変調素子１０１の変調速度を小さく抑えることもできる。本実施例では、図６に示す波面収差量の結果を元に、エリアａの対角画角を０〜３２ｄｅｇ、エリアｄ１〜ｄ４の対角画角を３２〜３８ｄｅｇ、エリアｉ１〜ｉ４の対角画角を３８〜４２ｄｅｇに設定した。例えば画面全てを同じエリアに分割する場合、ｉエリアと同じ面積に分割した場合、５０個以上のエリアに分割する必要がある。しかし、本実施例のように画面周辺だけ細分化したエリアを有することで、エリアの分割数を大幅に低減でき、なおかつ光学性能向上の効果を維持できる。さらに、位相変調素子１０１の変調速度の低減が行える。
【００３３】
また図５に示す各エリア（ａ、ｂ１〜ｂ２、ｃ１〜ｃ２、ｄ１〜ｄ４、ｅ１〜ｅ２、ｆ１〜ｆ４、ｇ１〜ｇ２、ｈ１〜ｈ４、ｉ１〜ｉ４）に対しては次のようにする。即ち図７のようにエリア中心及び４隅（Ｆ１〜Ｆ５）の波面収差の平均を元に位相変調素子１０１で、通過光束に付与する位相量を決定する。即ち、エリア内の波面収差の平均値と同じ又は同等の波面収差を有するポイントでの波面収差が最も小さくなるように位相変調量を決定する。
【００３４】
そうすることで、各エリア内のスポット形状が均一化される。なお、エリアａに関しては、図７の１隅Ｆ３が光軸方向の光束になる。表２に、各エリアの有する画角範囲及び撮像素子１０２上での各エリアの範囲を示す。ここで、代表的なエリアであるエリアａ、ｄ１、ｉ１について図７に示す点Ｆ１〜Ｆ５について改善されたスポット形状及び波面収差形状、位相変調素子１０１に与えた位相差を図８〜図１６に示す。図８〜図１０はエリアｉ１のスポット、波面収差、位相変調量、図１１〜図１３はエリアｄ１のスポット、波面収差、位相変調量、図１４〜図１６はエリアａのスポット、波面収差、位相変調量を示す。スポット形状の改善及び波面収差量の改善が確認できる。
【００３５】
このように、光学系１０５の波面収差に適合するように、画面周辺になるほどエリアを細分化することで、画面全体でのスポット形状の改善を行うことができる。また波面収差の変動が小さい画面中心付近のエリアを大きくすることで、分割数を減らし、位相変調素子の変調速度低減も行うことができる。なお、光学系で発生するコサイン４乗則による画面周辺での光量低下を考慮して、画面周辺エリアと画面中心付近のエリアとで露光時間を変え、画面周辺の露光時間を長くして周辺光量を上げるなどの措置を行っても良い。また、各エリアの境界でスポット形状が異なるため、例えば各エリアの境界が重なるように読み出しし、境界付近で画像の平均を取るなどの画像処理を加えても構わない。また、本実施例では絞り開放の場合の波面収差の平均から位相変調素子１０１で、通過光束に付与する位相量を決めているが、絞りが変化したときには絞り値ごとに最適となる別の変調量を用いても構わない。
【００３６】
【表２】
【００３７】
［実施例３］
図１７は本発明の実施例３の要部概略図である。図１７は特開平１１−１９４２７４号公報の実施例１に示されたズームレンズ１８０１に、位相変調素子１０１を付加した要部概略図である。図１７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は広角端（ワイド端）、中間のズーム位置（中間位置）、望遠端（テレ端）である。図１７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）においてワイド端及び中間位置（Ｍｉｄｄｌｅ）においては制御手段１０７の各制御手段等は省略して、テレ端においてのみ記載してある。なお、本実施例では撮像素子１０２のアスペクト比を４：３としている。このズームレンズ１８０１は焦点距離５．６ｍｍ〜１６．８ｍｍのズーム比３のズームレンズであり、画角は半画角が３２．２ｄｅｇ〜１１．７ｄｅｇまで変化する。
【００３８】
このようなズームレンズの場合、図１８（ａ）、（ｂ）に示すようにワイド端とテレ端において、波面収差の画角による変動の仕方は大きく変化する。特に図１８（ａ）のワイド端では波面収差の絶対量が画面中心〜周辺にかけて大きく変化するのに対し、図１８（ｂ）のテレ端では変化量が小さくなる。また、変化の仕方もテレ端では画面中心〜周辺に向け均一増加であるのに対し、ワイド端では均一増加ではなくなる。そこで、図１９（ａ）、（ｂ）に示すように、ズーム位置に対して、位相変調素子１０１の変化量だけでなく、分割エリア数も変化させる。ＬＵＴ１０４ではズーム位置及び分割されるエリアの位置に応じて位相量を決定している。このように分割エリア数をズーム位置により変化させることで、より効率的に波面収差の補正を行うことができる。
【００３９】
このエリア数の変更データもＬＵＴ１０４に保存させておくことで、各ズーム位置に応じた位相変調量を簡単に引き出すことができる。また、撮像系であるが故、テレ端ではシャッター速度を早くして手ぶれを防止することが望まれる。この点においてもテレ端では広角端に比べて分割エリア数を減らし、シャッター速度を上げるという効果を持たせることもできる。
【００４０】
表３及び表４に、ワイド端及びテレ端における各エリアの有する画角範囲及び撮像素子１０２上での各エリアの範囲を示す。また、図２０〜図３４に、ワイド端及びテレ端における代表的なエリアでの適用した位相変調量及び位相変調適用前後のスポット、波面収差を示す。
【００４１】
図２０〜図２２はエリアｉ１のワイド端のスポット、波面収差、位相変調量を示す。図２３〜図２５はエリアｄ１のワイド端のスポット、波面収差、位相変調量を示す。図２６〜図２８はエリアａのワイド端のスポット、波面収差、位相変調量を示す。図２９〜図３１はエリアｄ１’のテレ端のスポット、波面収差、位相変調量を示す。図３２〜図３４はエリアａ１’のテレ端のスポット、波面収差、位相変調量を示す。
【００４２】
なお、本実施例では、図３５のように撮像素子１０２上におけるエリア内の各位置において重み付けを行い、位相変調素子１０１に加える位相変調量を決定している。本実施例では、画角中心に近いほど波面収差がより補正されるように重み付けの関数を決定している。こうすることで、より画面中心に近いほど良好な画像が得られるようになる。この重み付けの関数もＬＵＴ１０４に保存しておき、ズーム位置ごとに適切な重み付け量を適用させる。この重み付けの関数はエリアごと、ズーム位置ごとに異なっても構わない。
【００４３】
また、本実施例ではワイド端とテレ端でのみ異なった分割エリアを適用したが、ワイド端〜テレ端の間の各ズーム位置でさらに分割数を変化させ、各焦点距離に最も有効な分割数を選ばせることもできる。また、本実施例で適用している位相変調量は全て物体位置が無限遠にある場合であり、物体が有限距離位置にある場合、それぞれの物体位置に最適な位相変調量を適用しても良い。
【００４４】
【表３】
【００４５】
【表４】
【００４６】
ここで、ＬＵＴ１０４からデータを読み出し、位相変調素子１０１を変調させ撮像に至るまでの過程を図３６を用いて説明する。図３６に用いている位相変調素子１０１は実施例１で説明した液晶型の位相変調素子である。図３６のように、まずズームレンズの現在のズーム位置（焦点距離）をセンサ３７０２より算出し、メモリ３７０１に記憶された焦点距離と最も近い焦点距離のテーブル値を選択する。選択されたテーブル値に基き、撮像素子１０２における分割エリア数を決定し、その値を撮像素子制御手段１０９へと送る。その後、フォーカス位置と絞り値を同様にセンサ３７０２より検出し、メモリ３７０１に記憶されたフォーカス位置と最も近い距離のテーブル値を求め、位相変調素子１０１に与える位相変調分布を決定する。
【００４７】
ここで、センサ３７０２は同じ図番を振っているが、もちろんズーム位置、フォーカス位置、絞り値の検出それぞれに別個のセンサを有しても構わない。決定された値を元に、位相変調素子１０１が有する透明電極２０２へ印加する電圧を制御手段１０７によって計算する。求められた電圧に従い、位相変調素子制御手段１０８により透明電極２０２へ電圧を印加し、液晶の屈折率を変化させ位相変調を行う。この位相変調と同期して撮像素子制御手段１０９は撮像を行うエリアだけの読み出しを行うよう撮像素子１０２を制御する。撮像を行わないエリアは光は当たっているものの、そこからのデータの読み出しは行わない。１つのエリアの撮像が終わると、撮像素子１０２に蓄積された電荷を一度リセットし、再び次のエリアからの読み出しを行うよう撮像素子制御手段１０９により制御を行う。以上のような過程を経ることで、撮像素子１０２上の各エリアに対して位相変調素子１０１を変調させ、この２つを同期させながら画像の取得を行うことができる。
【００４８】
［実施例４］
図３７は本発明の実施例４に係る撮像素子面上におけるエリア分割の説明図である。実施例４における撮像素子１０２上でのエリア分割の分割方法について説明する。実施例１〜３では、撮像素子１０２の分割エリアの形状は全て矩形状であった。しかし、分割エリアの形状はこれに限るものではない。例えば図３７に示すように、光学性能の良い中心の円弧上のエリア３８０１を大きく取り、その周囲に放射状のエリア３８０２を有するように分割しても良い。このようにエリアを分割することで、回転対称な光学系に対し、各エリア内での補正量の差を小さくすることができる。また、画面周辺ではさらに分割エリアを３８０３のように細分化することで、画面周辺で急激に波面収差が大きくなる光学系にも対応が容易になる。
【００４９】
また、以上の実施例には記載していないが、例えば光学的に手ブレを補正する撮像光学系の場合、手ブレ補正のために光学系の一部を偏心させるものがある。このような光学系では、手ブレ補正の際に偏心した量に応じて偏心収差が発生する。この偏心収差に関しても同様に偏心量と偏心収差のＬＵＴを作成し、偏心量に応じて位相変調素子を変調させ偏心収差の補正を行うことも可能である。
【００５０】
以上のように各実施例によれば、撮像光学系のズーム位置やフォーカス位置等に応じて波面収差の補正量を変化させたり、撮像素子のエリアの分割数そのものを変化させたりすることで、より良好な光学性能を得ることが出来る。また、撮像素子のエリアの分割を行うため、画素ごとに読み出し可能なＣＭＯＳ型の撮像素子を用いれば、時分割撮像やエリアの分割数の変更などにも良好に対応することが出来る。
【符号の説明】
【００５１】
１０１、１６０１ 位相変調素子 １０２ 撮像素子 １０３ 瞳
１０４ ＬＵＴ １０５ 撮像光学系 １０６ 光軸 １０７ 制御手段
１０８ 変調素子制御手段 １０９ 撮像素子制御手段
２０１、３８０１、３８０２、３８０３ 分割エリア ３７０１ メモリ
【技術分野】
【０００１】
本発明は撮像装置に属し、撮像光学系の光路中に撮像光学系における収差を効果的に補正する補正手段、例えば位相変調素子を設けたデジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、ＴＶカメラ等に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
撮像光学系では収差を補正するために種々な方法が用いられている。例えば広画角の撮像光学系などでは非球面レンズを用い、画角の大きい光束に対して収差補正を行っている。撮像画角が大きくなるほど（広画角になるほど）コマ収差や像面湾曲／非点収差などが多く発生する。このためこれらの収差を補正するため、レンズ枚数を増やしたり、非球面レンズを用いたりしている。
【０００３】
撮像光学系に用いられている光学素子（レンズ）は、形状が不変である。このため、ある画角（ズーム位置）またはフォーカス位置において最適な曲率や非球面形状のレンズ面であっても、他の画角（ズーム位置）やフォーカス位置では必ずしも最適な形状であるとは限らない。
【０００４】
このため、従来より反射型の位相変調素子を光学系内に挿入し、各ズーム位置及びフォーカス位置などに応じて最適な波面変調を行うことで、曲率や非球面係数を動的に動かすのと同等の効果を与えて収差補正を行った撮像装置が知られている（特許文献１）。また、液晶素子を用いて、光ディスクの厚さ誤差やチルト等により発生する収差を補正した光ディスクのピックアップ装置が知られている（特許文献２）。
【０００５】
一般に、光学系の収差は、全て光学系の瞳上における瞳収差として表現することができる。そこで、光学系の瞳上に位相変調素子を挿入することにより、球面収差の補正や、逆に球面収差を付加することで、ソフトフォーカス効果を得た結像光学系が知られている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−００４４９６号公報
【特許文献２】特開２００１−２４９３１５号公報
【特許文献３】特開昭６１−１３７１２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
また、ズーム位置やフォーカス位置に連動して反射型の位相変調素子の形状を変化させて、撮像光学系の収差補正を行う方法は、広画角になるほど単一の非球面形状では画面全域の収差補正が困難である。このためこの方法は残存収差が多くなる傾向がある。
【０００８】
本発明は、軸上及び画角を有する軸外光束に対しても収差を良好に補正することができ、画面全体にわたり高い光学性能が得られる撮像装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の撮像装置は、撮像素子と、被写体からの光束を用いて前記撮像素子上に前記被写体の像を形成する撮像光学系と、前記撮像光学系の瞳面に配置され、前記被写体からの光束の位相状態を変調する位相変調素子と、前記位相変調素子を制御する変調素子制御手段と、前記撮像素子を複数のエリアに分割し、前記分割した複数のエリアごとに前記撮像素子上の像の情報を時分割読み出しする撮像素子制御手段を備え、
前記撮像素子制御手段で分割した複数のエリアごとに前記分割された像の情報の読み出しを行う際、前記読み出しを行うエリアでの波面収差が小さくなるように、前記変調素子制御手段が前記位相変調素子を制御することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、撮像素子を複数のエリアに分割し、分割した複数のエリアに対応した各画角に対する波面収差の補正を撮像光学系の瞳上で行うことで、各画角に対し最も効率的に収差補正を行い、高い光学性能を有した撮像装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１の説明図である
【図２】実施例１における像面上のエリア分割パターンを示す図である
【図３】（ａ）〜（ｄ）実施例１における波面収差を示す図である
【図４】（ａ）〜（ｄ）実施例１における、位相変調素子の変調前と変調後のスポットを示す図である
【図５】本発明の実施例２の説明図である
【図６】実施例２における画角と波面収差量の関係を示す図である
【図７】実施例２における各エリア内の画角位置を示す図である
【図８】実施例２における、エリアｉ１の位相変調素子による変調前と変調後のスポットを示す図である
【図９】実施例２における、エリアｉ１の位相変調素子による変調前と変調後の波面収差を示す図である
【図１０】実施例２における、エリアｉ１において位相変調素子に与えた位相変調量を示す図である
【図１１】実施例２における、エリアｄ１の位相変調素子による変調前と変調後のスポットを示す図である
【図１２】実施例２における、エリアｄ１の位相変調素子による変調前と変調後の波面収差を示す図である
【図１３】実施例２における、エリアｄ１において位相変調素子に与えた位相変調量を示す図である
【図１４】実施例２における、エリアａの位相変調素子による変調前と変調後のスポットを示す図である
【図１５】実施例２における、エリアａの位相変調素子による変調前と変調後の波面収差を示す図である
【図１６】実施例２における、エリアａにおいて位相変調素子に与えた位相変調量を示す図である
【図１７】（ａ）〜（ｃ）本発明の実施例３の説明図である
【図１８】（ａ）（ｂ）実施例３における画角と波面収差量の関係を示す図である
【図１９】（ａ）（ｂ）実施例３における、像面上のエリア分割パターンを示す図である
【図２０】実施例３における、エリアｉ１（ワイド側）の位相変調素子による変調前と変調後のスポットを示す図である
【図２１】実施例３における、エリアｉ１（ワイド側）の位相変調素子による変調前と変調後の波面収差を示す図である
【図２２】実施例３における、エリアｉ１（ワイド側）において位相変調素子に与えた位相変調量を示す図である
【図２３】実施例３における、エリアｄ１（ワイド側）の位相変調素子による変調前と変調後のスポットを示す図である
【図２４】実施例３における、エリアｄ１（ワイド側）の位相変調素子による変調前と変調後の波面収差を示す図である
【図２５】実施例３における、エリアｄ１（ワイド側）において位相変調素子に与えた位相変調量を示す図である
【図２６】実施例３における、エリアａ（ワイド側）の位相変調素子による変調前と変調後のスポットを示す図である
【図２７】実施例３における、エリアａ（ワイド側）の位相変調素子による変調前と変調後の波面収差を示す図である
【図２８】実施例３における、エリアａ（ワイド側）において位相変調素子に与えた位相変調量を示す図である
【図２９】実施例３における、エリアｄ１’（テレ側）の位相変調素子による変調前と変調後のスポットを示す図である
【図３０】実施例３における、エリアｄ１’（テレ側）の位相変調素子による変調前と変調後の波面収差を示す図である
【図３１】実施例３における、エリアｄ１’（テレ側）において位相変調素子に与えた位相変調量を示す図である
【図３２】実施例３における、エリアａ’（テレ側）の位相変調素子による変調前と変調後のスポットを示す図である
【図３３】実施例３における、エリアａ’（テレ側）の位相変調素子による変調前と変調後の波面収差を示す図である
【図３４】実施例３における、エリアａ’（テレ側）において位相変調素子に与えた位相変調量を示す図である
【図３５】実施例３における、エリア内各点への重み付けの例を示す図である
【図３６】実施例３における、ＬＵＴからデータを読み出し撮像を行うまでの過程の例を示した図である
【図３７】本発明における実施例４を説明する図である
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の撮像装置について説明する。本発明の撮像装置は、単一の焦点距離より成る、又はズーム機能を有する撮像光学系１０５により外界（被写体）の画像情報をＣＣＤやＣＭＯＳ型の撮像素子１０２上に形成している。撮像光学系１０５の瞳面１０３又はその近傍に入射波面の位相状態を変調し、出射させる位相変調素子１０１を配置している。ここで瞳面とは軸外主光線が光軸と交差する点における光軸と垂直な面のことである。
【００１３】
位相変調素子１０１で、通過光束に付与する位相量を制御する変調素子制御手段１０８と、撮像素子１０２を３つ以上の複数のエリアに分割し、分割した複数のエリアごとに画像情報を時分割読み出しする撮像素子制御手段１０９を備えている。撮像素子制御手段１０９で分割した複数のエリアごとに画像情報の分割読み出しを行う際には変調素子制御手段１０８は、撮像素子１０２における分割エリア毎に、そのエリアでの波面収差が小さくなるようにする。即ち位相変調素子１０１で、通過光束に付与する位相量を変調する。ここで波面収差とは各種の収差が重畳して生ずる収差に相当している。
【００１４】
ここで分割した複数のエリアのうち、撮像素子１０２の中心を含むエリアは面積が一番大きいかまたは他のエリアと同じである。この他、分割エリアの数は撮像光学系１０５のズーム位置により変化させている。例えばテレ端に比べて広角端の方が多いようにしている。位相変調素子１０１で変調される位相量は分割エリアの中心における波面収差が最も小さくなるようにしている。または分割エリア内の波面収差の平均を算出し、その平均値と同等の波面収差を有するポイントの波面収差が最も小さくなるようにしている。この他、分割エリア内の波面収差にある重み付けを行ない、エリア内の最も重み付けの高いポイントの波面収差が最も小さくなるように位相変調を行っている。また位相変調素子を部分的に厚さを可変とする素子より構成しても良い。
【００１５】
［実施例１］
図１は本発明の実施例１の要部概略図である。図１は特開昭４９−０９４３２５号公報において記載されている広角レンズ（光学系）（撮像光学系）に、本発明に係る位相変調素子１０１を加えた要部概略図である。なお、以下の説明では波面収差の算出にはｄ線（５９４ｎｍ）における波面収差を利用する。もちろん、光学系を利用する波長により選択される波長は自由に選択できる。また、広帯域の波長を利用する場合には、その中間値の波長を用いたり、波長に重み付けした波面収差の平均値を用いたりするなど、他の算出方法も適用可能である。また、実施例１と以下に示す実施例２では撮像素子１０２のアスペクト比を３：２に規定したが、撮像素子１０２のアスペクト比はこれに限らない。
【００１６】
図１において光学系１０５は、半画角４２ｄｅｇの撮影画角を有する広角レンズである。本実施例では光学系１０５の瞳１０３の位置又はその近傍に位相変調素子１０１を配置している。位相変調素子１０１としては、例えば液晶や非線形結晶など、電圧を付加することにより材料の屈折率を変化可能なものが挙げられる。また、位相変調素子１０１としては物理的に透過材料の厚みを変えられるような素子でも構わない。また部分的に厚さを可変とする素子でも良い。
【００１７】
本実施例における位相変調素子１０１における位相遅れ量は材料（この場合液晶）の屈折率の変化量と液晶層２０１の厚さの積から位相変調量が決まる。屈折率の変化量をΔｎ、材料の厚さをＴ、使用波長をλとしたとき、位相変調量Δφは
Δφ＝Δｎ＊Ｔ／λ
となる。このように屈折率の変化を利用することで、入射波面に対する射出波面の位相を変調させることができる。このような屈折率の変化は液晶素子に限らず、ポッケルス効果やカー効果のような非線形光学特性を有する材料（非線形結晶素子）を用いても実現することができる。ただし、液晶や結晶の屈折率の変化は偏光依存性を有する。このため撮像光学系（光学系）に利用する場合、例えば論文文献１（「光学」 ２００７年３６巻第３号 ｐｐ１４９〜１５３）に記されているように、２枚の液晶の偏光依存方向が直交するよう重ね合わせ、偏光依存性を低減させる方法などを利用することができる。
【００１８】
また、ゲル状や液体のような屈折率が1以上の透明体を物理的に移動可能なもので挟み込み、部分的に厚さを変化させて（可変として）も位相変調を行うこともできる。この場合、厚さの差分と材料の屈折率で位相変調量が決定する。
【００１９】
本実施例中で、例えばＣＭＯＳ型の撮像素子１０２が図２に示すように撮像素子制御手段１０９で複数のエリアに分割されるとする。
【００２０】
本実施例では、分割数は９であり、分割エリアの面積は９つのエリア３０１の全てで等しい面積とする。分割数は３つ以上あればいくつでも良い。ここで、各エリア３０１の中心画角に対応した波面収差を図３に示す。図３（ａ）〜（ｄ）では、図１に示した断面内においての各画角の波面収差を示している。なお、本実施例の光学系では回転対称な光学系を採用しているため、例えばエリアｄ２〜ｄ４の波面収差は、エリアｄ１の波面収差と同じ形状で、光軸１０６を中心に回転させた形状となる。エリアｂ１、ｂ２における波面収差も同様に、それぞれ光軸１０６を中心に対称な形状を有する。エリアｃ１、ｃ２も同様である。
【００２１】
図３（ａ）は図２のエリアａに相当し、図３（ｂ）は図２のエリアｂ１、ｂ２に相当し、図３（ｃ）は図２のエリアｃ１、ｃ２に相当し、図３（ｄ）は図２のエリアｄ１〜ｄ４に相当している。
【００２２】
このとき、例えば各エリア３０１の中心画角に対し図３（ａ）〜（ｄ）で示した波面収差をキャンセルさせるように、変調素子制御手段１０８で位相変調素子１０１を変調させる。具体的には、位相変調素子１０１を変調させ位相遅れを発生させ、瞳１０３上の波面分布の差分が０に近付くようにする。このとき、波面収差が完全に０になる必要は無く、撮像光学系として十分な光学性能を保持できるだけの波面収差が残存しても構わない。本実施例では、図３で示した波面収差が２０ｍλ以下になるまで補正を行っている。
【００２３】
次に撮像する際の位相変調の流れを以下に示す。撮像開始とともに制御手段１０７は、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）１０４を参照する。ＬＵＴ１０４は発生させる位相変調量を分割されるエリアに応じて決定している。そしてそこで必要となる位相変調量を抽出する。ここで位相変調素子１０１用の位相変調素子制御手段１０８と、撮像素子１０２用の撮像素子制御手段１０９に対し、時分割で読み出しを行うエリアと、そのエリアで必要となる位相変調量の情報を制御手段１０７から送り出す。送り出された情報を元に、変調素子制御手段１０８と、撮像素子制御手段１０９はそれぞれ位相変調素子１０１と撮像素子１０２の制御を行う。例えば撮像素子１０２上のエリアａの画像情報の読み出しを行う際には、位相変調素子制御手段１０８は画角０の波面収差をキャンセルするだけの位相差を位相変調素子１０１に対して時分割で与える。これに同期して撮像素子制御手段１０９は撮像素子１０２上のエリアａだけから画像情報を読み出す。
【００２４】
同様にエリアｂ１〜ｄ４まで各エリアの撮像の際に、その中心画角の波面収差を補正するような位相差を位相変調素子１０１に与えるよう変調素子制御手段１０８で制御を行う。そして撮像素子１０２上のエリアのそれぞれに対し同様に時間的に異なるタイミングで時分割して画像情報の読み出しを行うように分割読出手段を含む撮像素子制御手段１０９で制御を行う。位相変調素子１０１の各エリア３０１に対する与える位相差は、ＬＵＴ１０４に保存された波面収差補正量のデータに基づき決定される。ＬＵＴ１０４には、エリア３０１の各々に対応した波面収差補正量が保存されている。なお、波面収差補正量とは、光学系１０５の画角に対する補正量だけでなく、光学系１０５に対するフォーカス位置に応じた補正量が組み込まれていても構わない。また、本実施例では単焦点距離の光学系の補正に関して説明しているが、例えばズームレンズの場合には、各ズーム位置に応じた補正量をＬＵＴ１０４に組み込み、焦点距離ごとに補正量を変化させればよい。
【００２５】
表１は、各エリアの有する画角及び撮像素子１０２上での各エリアの範囲を示した表である。表中でｘは画面の長手方向、ｙはｘに垂直な方向を示す。画面中心（共軸系の場合光軸）を０ｄｅｇとしている。この座標方向は以下の実施例についても同様である。また、エリアｂ１とｂ２はｘ軸対称、エリアｃ１とｃ２はｙ軸対称、エリアｄ１〜ｄ４は光軸１０６に対して回転対称のため、夫々エリアａをＡｒｅａＡ、ｂ１の値をＡｒｅａＢ、エリアｃ１の値をＡｒｅａＣ、エリアｄ１の値をＡｒｅａＤとして示している。その他のエリアｂ２やｃ２、エリアｄ２〜ｄ４の値は表１の各ＡｒｅａＣ〜Ｄの値の符号を変えるだけでよい。例えばエリアｄ２はＡｒｅａＤの値のｙの符号を反転させれば良い。同様にエリアｄ４ではｘ，ｙ両方の符号を、エリアｄ３ではｘの符号を反転させれば良い。以下の実施例に関しても同様に、対称な関係にあるエリアはその中で番号の最も小さなエリアの値を示している。
【００２６】
各エリアの座標の値は最大画角における撮像素子１０２上でのｘ座標、ｙ座標をそれぞれ１としたときの比率を表す。図４（ａ）〜図４（ｄ）は位相変調素子１０１で波面変調を行う前と、行った後の各エリア２０１の中心画角におけるスポット形状である。図４（ａ）〜図４（ｄ）にあるように、波面変調を行う前と後で、スポット形状が大幅に改善されているのが分かる。
【００２７】
このように、光学系１０５の瞳位置１０３に位相変調素子１０１を挿入し、撮像素子１０２上複数のエリアを分割して、各エリア毎に最適な波面収差補正を位相変調素子１０１で行うことで、光学系の収差補正を良好に行うことができる。また、撮像用の光学系の場合、画角の大きい光束に対して、光学性能の向上のために瞳光束の一部をケルことで収差を低減する場合がある。しかし、本手法を用いれば最外縁の画角に対しても収差補正を行えるため、周辺画角でのケラレ量を小さくすることが可能になり、周辺光量の向上を見込むこともできる。なお、光学系が非回転対称な場合、波面収差の形状は分割エリアそれぞれに対して異なる形状を有する場合も考えられる。その場合は、テーブル内にそれぞれ異なる形状の波面収差補正量を組み込めばよい。
【００２８】
また、このように撮像素子１０２でエリア分割を行う場合、撮像素子１０２としてはライン読み出しを行うＣＣＤより、画素単位の読み出しを行うＣＭＯＳ型の撮像素子が望ましい。ＣＭＯＳ型の撮像素子を用いることで、撮像素子の読み出しエリアを変更することも容易になる。
【００２９】
【表１】
【００３０】
［実施例２］
次に本発明の実施例２について説明する。本実施例における光学系は実施例１と同じものである。また、以下の図において図番が同じものは同じ機能を有するものであるため、説明を省略する。実施例１の場合、撮像素子上１０２を等面積の９つのエリアに分割した。しかしながら、波面収差は図６にあるように、撮像素子の周辺（大きな画角）になるほど増大し、同じエリア内でも波面収差の大きさが大きく異なることがある。
【００３１】
逆に、画面の中間画角付近で波面収差が最大になり、周辺で再度小さくなる場合もある。このため、エリアの中心の波面収差を適用した場合、エリア周辺では逆に収差が悪化してスポット形状が崩れてしまう。このため、原理的には１エリア＝１画素となるようにして波面収差を補正するのが望ましいが、撮像時間が長時間になったり、位相変調素子に超高速の変調速度が必要になり、あまり分割数を増やすのは望ましくない。
【００３２】
そこで、本実施例では図５のように波面収差の変化量の小さい画面中心付近は大きなエリア（面積）で、そして画面周辺になるほど同じか又は細かいエリアに分割している。これにより、上記逆補正問題を解決しながらエリア分割数を減らしている。また、画面周辺のエリアでもスポット形状の崩れを抑えることができる。さらに、同じ撮像時間内における位相変調素子１０１の変調回数も少なくなるため、位相変調素子１０１の変調速度を小さく抑えることもできる。本実施例では、図６に示す波面収差量の結果を元に、エリアａの対角画角を０〜３２ｄｅｇ、エリアｄ１〜ｄ４の対角画角を３２〜３８ｄｅｇ、エリアｉ１〜ｉ４の対角画角を３８〜４２ｄｅｇに設定した。例えば画面全てを同じエリアに分割する場合、ｉエリアと同じ面積に分割した場合、５０個以上のエリアに分割する必要がある。しかし、本実施例のように画面周辺だけ細分化したエリアを有することで、エリアの分割数を大幅に低減でき、なおかつ光学性能向上の効果を維持できる。さらに、位相変調素子１０１の変調速度の低減が行える。
【００３３】
また図５に示す各エリア（ａ、ｂ１〜ｂ２、ｃ１〜ｃ２、ｄ１〜ｄ４、ｅ１〜ｅ２、ｆ１〜ｆ４、ｇ１〜ｇ２、ｈ１〜ｈ４、ｉ１〜ｉ４）に対しては次のようにする。即ち図７のようにエリア中心及び４隅（Ｆ１〜Ｆ５）の波面収差の平均を元に位相変調素子１０１で、通過光束に付与する位相量を決定する。即ち、エリア内の波面収差の平均値と同じ又は同等の波面収差を有するポイントでの波面収差が最も小さくなるように位相変調量を決定する。
【００３４】
そうすることで、各エリア内のスポット形状が均一化される。なお、エリアａに関しては、図７の１隅Ｆ３が光軸方向の光束になる。表２に、各エリアの有する画角範囲及び撮像素子１０２上での各エリアの範囲を示す。ここで、代表的なエリアであるエリアａ、ｄ１、ｉ１について図７に示す点Ｆ１〜Ｆ５について改善されたスポット形状及び波面収差形状、位相変調素子１０１に与えた位相差を図８〜図１６に示す。図８〜図１０はエリアｉ１のスポット、波面収差、位相変調量、図１１〜図１３はエリアｄ１のスポット、波面収差、位相変調量、図１４〜図１６はエリアａのスポット、波面収差、位相変調量を示す。スポット形状の改善及び波面収差量の改善が確認できる。
【００３５】
このように、光学系１０５の波面収差に適合するように、画面周辺になるほどエリアを細分化することで、画面全体でのスポット形状の改善を行うことができる。また波面収差の変動が小さい画面中心付近のエリアを大きくすることで、分割数を減らし、位相変調素子の変調速度低減も行うことができる。なお、光学系で発生するコサイン４乗則による画面周辺での光量低下を考慮して、画面周辺エリアと画面中心付近のエリアとで露光時間を変え、画面周辺の露光時間を長くして周辺光量を上げるなどの措置を行っても良い。また、各エリアの境界でスポット形状が異なるため、例えば各エリアの境界が重なるように読み出しし、境界付近で画像の平均を取るなどの画像処理を加えても構わない。また、本実施例では絞り開放の場合の波面収差の平均から位相変調素子１０１で、通過光束に付与する位相量を決めているが、絞りが変化したときには絞り値ごとに最適となる別の変調量を用いても構わない。
【００３６】
【表２】
【００３７】
［実施例３］
図１７は本発明の実施例３の要部概略図である。図１７は特開平１１−１９４２７４号公報の実施例１に示されたズームレンズ１８０１に、位相変調素子１０１を付加した要部概略図である。図１７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は広角端（ワイド端）、中間のズーム位置（中間位置）、望遠端（テレ端）である。図１７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）においてワイド端及び中間位置（Ｍｉｄｄｌｅ）においては制御手段１０７の各制御手段等は省略して、テレ端においてのみ記載してある。なお、本実施例では撮像素子１０２のアスペクト比を４：３としている。このズームレンズ１８０１は焦点距離５．６ｍｍ〜１６．８ｍｍのズーム比３のズームレンズであり、画角は半画角が３２．２ｄｅｇ〜１１．７ｄｅｇまで変化する。
【００３８】
このようなズームレンズの場合、図１８（ａ）、（ｂ）に示すようにワイド端とテレ端において、波面収差の画角による変動の仕方は大きく変化する。特に図１８（ａ）のワイド端では波面収差の絶対量が画面中心〜周辺にかけて大きく変化するのに対し、図１８（ｂ）のテレ端では変化量が小さくなる。また、変化の仕方もテレ端では画面中心〜周辺に向け均一増加であるのに対し、ワイド端では均一増加ではなくなる。そこで、図１９（ａ）、（ｂ）に示すように、ズーム位置に対して、位相変調素子１０１の変化量だけでなく、分割エリア数も変化させる。ＬＵＴ１０４ではズーム位置及び分割されるエリアの位置に応じて位相量を決定している。このように分割エリア数をズーム位置により変化させることで、より効率的に波面収差の補正を行うことができる。
【００３９】
このエリア数の変更データもＬＵＴ１０４に保存させておくことで、各ズーム位置に応じた位相変調量を簡単に引き出すことができる。また、撮像系であるが故、テレ端ではシャッター速度を早くして手ぶれを防止することが望まれる。この点においてもテレ端では広角端に比べて分割エリア数を減らし、シャッター速度を上げるという効果を持たせることもできる。
【００４０】
表３及び表４に、ワイド端及びテレ端における各エリアの有する画角範囲及び撮像素子１０２上での各エリアの範囲を示す。また、図２０〜図３４に、ワイド端及びテレ端における代表的なエリアでの適用した位相変調量及び位相変調適用前後のスポット、波面収差を示す。
【００４１】
図２０〜図２２はエリアｉ１のワイド端のスポット、波面収差、位相変調量を示す。図２３〜図２５はエリアｄ１のワイド端のスポット、波面収差、位相変調量を示す。図２６〜図２８はエリアａのワイド端のスポット、波面収差、位相変調量を示す。図２９〜図３１はエリアｄ１’のテレ端のスポット、波面収差、位相変調量を示す。図３２〜図３４はエリアａ１’のテレ端のスポット、波面収差、位相変調量を示す。
【００４２】
なお、本実施例では、図３５のように撮像素子１０２上におけるエリア内の各位置において重み付けを行い、位相変調素子１０１に加える位相変調量を決定している。本実施例では、画角中心に近いほど波面収差がより補正されるように重み付けの関数を決定している。こうすることで、より画面中心に近いほど良好な画像が得られるようになる。この重み付けの関数もＬＵＴ１０４に保存しておき、ズーム位置ごとに適切な重み付け量を適用させる。この重み付けの関数はエリアごと、ズーム位置ごとに異なっても構わない。
【００４３】
また、本実施例ではワイド端とテレ端でのみ異なった分割エリアを適用したが、ワイド端〜テレ端の間の各ズーム位置でさらに分割数を変化させ、各焦点距離に最も有効な分割数を選ばせることもできる。また、本実施例で適用している位相変調量は全て物体位置が無限遠にある場合であり、物体が有限距離位置にある場合、それぞれの物体位置に最適な位相変調量を適用しても良い。
【００４４】
【表３】
【００４５】
【表４】
【００４６】
ここで、ＬＵＴ１０４からデータを読み出し、位相変調素子１０１を変調させ撮像に至るまでの過程を図３６を用いて説明する。図３６に用いている位相変調素子１０１は実施例１で説明した液晶型の位相変調素子である。図３６のように、まずズームレンズの現在のズーム位置（焦点距離）をセンサ３７０２より算出し、メモリ３７０１に記憶された焦点距離と最も近い焦点距離のテーブル値を選択する。選択されたテーブル値に基き、撮像素子１０２における分割エリア数を決定し、その値を撮像素子制御手段１０９へと送る。その後、フォーカス位置と絞り値を同様にセンサ３７０２より検出し、メモリ３７０１に記憶されたフォーカス位置と最も近い距離のテーブル値を求め、位相変調素子１０１に与える位相変調分布を決定する。
【００４７】
ここで、センサ３７０２は同じ図番を振っているが、もちろんズーム位置、フォーカス位置、絞り値の検出それぞれに別個のセンサを有しても構わない。決定された値を元に、位相変調素子１０１が有する透明電極２０２へ印加する電圧を制御手段１０７によって計算する。求められた電圧に従い、位相変調素子制御手段１０８により透明電極２０２へ電圧を印加し、液晶の屈折率を変化させ位相変調を行う。この位相変調と同期して撮像素子制御手段１０９は撮像を行うエリアだけの読み出しを行うよう撮像素子１０２を制御する。撮像を行わないエリアは光は当たっているものの、そこからのデータの読み出しは行わない。１つのエリアの撮像が終わると、撮像素子１０２に蓄積された電荷を一度リセットし、再び次のエリアからの読み出しを行うよう撮像素子制御手段１０９により制御を行う。以上のような過程を経ることで、撮像素子１０２上の各エリアに対して位相変調素子１０１を変調させ、この２つを同期させながら画像の取得を行うことができる。
【００４８】
［実施例４］
図３７は本発明の実施例４に係る撮像素子面上におけるエリア分割の説明図である。実施例４における撮像素子１０２上でのエリア分割の分割方法について説明する。実施例１〜３では、撮像素子１０２の分割エリアの形状は全て矩形状であった。しかし、分割エリアの形状はこれに限るものではない。例えば図３７に示すように、光学性能の良い中心の円弧上のエリア３８０１を大きく取り、その周囲に放射状のエリア３８０２を有するように分割しても良い。このようにエリアを分割することで、回転対称な光学系に対し、各エリア内での補正量の差を小さくすることができる。また、画面周辺ではさらに分割エリアを３８０３のように細分化することで、画面周辺で急激に波面収差が大きくなる光学系にも対応が容易になる。
【００４９】
また、以上の実施例には記載していないが、例えば光学的に手ブレを補正する撮像光学系の場合、手ブレ補正のために光学系の一部を偏心させるものがある。このような光学系では、手ブレ補正の際に偏心した量に応じて偏心収差が発生する。この偏心収差に関しても同様に偏心量と偏心収差のＬＵＴを作成し、偏心量に応じて位相変調素子を変調させ偏心収差の補正を行うことも可能である。
【００５０】
以上のように各実施例によれば、撮像光学系のズーム位置やフォーカス位置等に応じて波面収差の補正量を変化させたり、撮像素子のエリアの分割数そのものを変化させたりすることで、より良好な光学性能を得ることが出来る。また、撮像素子のエリアの分割を行うため、画素ごとに読み出し可能なＣＭＯＳ型の撮像素子を用いれば、時分割撮像やエリアの分割数の変更などにも良好に対応することが出来る。
【符号の説明】
【００５１】
１０１、１６０１ 位相変調素子 １０２ 撮像素子 １０３ 瞳
１０４ ＬＵＴ １０５ 撮像光学系 １０６ 光軸 １０７ 制御手段
１０８ 変調素子制御手段 １０９ 撮像素子制御手段
２０１、３８０１、３８０２、３８０３ 分割エリア ３７０１ メモリ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像素子と、被写体からの光束を用いて前記撮像素子上に前記被写体の像を形成する撮像光学系と、前記撮像光学系の瞳面に配置され、前記被写体からの光束の位相状態を変調する位相変調素子と、前記位相変調素子を制御する変調素子制御手段と、前記撮像素子を複数のエリアに分割し、前記分割した複数のエリアごとに前記撮像素子上の像の情報を時分割読み出しする撮像素子制御手段を備え、
前記撮像素子制御手段で分割した複数のエリアごとに前記分割された像の情報の読み出しを行う際、前記読み出しを行うエリアでの波面収差が小さくなるように、前記変調素子制御手段が前記位相変調素子を制御することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記分割エリアの分割数は、３つ以上であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記分割した複数のエリアのうち、前記撮像素子の中心を含むエリアの面積が一番大きいかまたは他のエリアと同じであることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記撮像光学系はズーム機能を有し、前記分割される複数のエリアの数は前記撮像光学系のズーム位置により変化することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記分割エリアの数は、テレ端に比べて広角端の方が多いことを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記位相変調素子の変調される通過光束の位相量を撮像光学系のズーム位置又はフォーカス位置及び分割エリアの位置に応じて決定するルックアップテーブルを持つことを特徴とする請求項４又は５に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記変調素子制御手段は、前記位相変調素子で変調される通過光束の位相量を、分割エリアの中心における波面収差が最も小さくなるようにすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記変調素子制御手段は前記位相変調素子で通過光束に付与する位相量が前記分割エリア内の波面収差の平均を算出し、その平均値と同じ波面収差を有するポイントの波面収差が最も小さくなるようにすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記変調素子制御手段は前記位相変調素子で通過光束に付与する位相量が前記分割エリア内の波面収差にある重み付けを行ない、エリア内の最も重み付けの高いポイントの波面収差が最も小さくなるようにすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記撮像素子は、ＣＭＯＳ型の撮像素子より成ることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１】
撮像素子と、被写体からの光束を用いて前記撮像素子上に前記被写体の像を形成する撮像光学系と、前記撮像光学系の瞳面に配置され、前記被写体からの光束の位相状態を変調する位相変調素子と、前記位相変調素子を制御する変調素子制御手段と、前記撮像素子を複数のエリアに分割し、前記分割した複数のエリアごとに前記撮像素子上の像の情報を時分割読み出しする撮像素子制御手段を備え、
前記撮像素子制御手段で分割した複数のエリアごとに前記分割された像の情報の読み出しを行う際、前記読み出しを行うエリアでの波面収差が小さくなるように、前記変調素子制御手段が前記位相変調素子を制御することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記分割エリアの分割数は、３つ以上であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記分割した複数のエリアのうち、前記撮像素子の中心を含むエリアの面積が一番大きいかまたは他のエリアと同じであることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記撮像光学系はズーム機能を有し、前記分割される複数のエリアの数は前記撮像光学系のズーム位置により変化することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記分割エリアの数は、テレ端に比べて広角端の方が多いことを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記位相変調素子の変調される通過光束の位相量を撮像光学系のズーム位置又はフォーカス位置及び分割エリアの位置に応じて決定するルックアップテーブルを持つことを特徴とする請求項４又は５に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記変調素子制御手段は、前記位相変調素子で変調される通過光束の位相量を、分割エリアの中心における波面収差が最も小さくなるようにすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記変調素子制御手段は前記位相変調素子で通過光束に付与する位相量が前記分割エリア内の波面収差の平均を算出し、その平均値と同じ波面収差を有するポイントの波面収差が最も小さくなるようにすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記変調素子制御手段は前記位相変調素子で通過光束に付与する位相量が前記分割エリア内の波面収差にある重み付けを行ない、エリア内の最も重み付けの高いポイントの波面収差が最も小さくなるようにすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記撮像素子は、ＣＭＯＳ型の撮像素子より成ることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の撮像装置。
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【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】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【公開番号】特開２０１１−２２８８３７（Ｐ２０１１−２２８８３７Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９４９４１（Ｐ２０１０−９４９４１）
【出願日】平成２２年４月１６日（２０１０．４．１６）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１６日（２０１０．４．１６）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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