撮像装置
【課題】位相変調素子を含む撮像装置の製造性を向上させる。
【解決手段】撮像装置１は、被写体からの光を像面に集光するレンズ系２と、レンズ系２を通過する光に対して、光軸に垂直な１の方向に位相変調を与える第１の位相変調マスク３ａと、前記１の方向とは異なる方向に位相差を生じさせる第２の位相変調マスク３ｂとを含む一対の位相変調マスクと、一対の位相変調マスク３ａ、３ｂの間に設けられ、光の光量を調整する絞り４と、像面に集光された光を電気信号に変換して画像信号を取得する撮像部５と、撮像部５によって取得された画像信号に対して位相変調を復元する画像処理を行う画像処理部６とを備える。
【解決手段】撮像装置１は、被写体からの光を像面に集光するレンズ系２と、レンズ系２を通過する光に対して、光軸に垂直な１の方向に位相変調を与える第１の位相変調マスク３ａと、前記１の方向とは異なる方向に位相差を生じさせる第２の位相変調マスク３ｂとを含む一対の位相変調マスクと、一対の位相変調マスク３ａ、３ｂの間に設けられ、光の光量を調整する絞り４と、像面に集光された光を電気信号に変換して画像信号を取得する撮像部５と、撮像部５によって取得された画像信号に対して位相変調を復元する画像処理を行う画像処理部６とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レンズ等を含む光学系によって、被写体を撮像素子上に結像する撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光波面変調素子である位相板により光束を規則的に分散し、デジタル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撮像装置が提案されている。（例えば、特許文献１―２、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２３５７９４号公報
【特許文献２】特開２０００−９８３０３号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Edward. R. Dowski, Jr., and W. Thomas. Cathey, “Extended depth of field through wave-front coding”, Applied Optics, Vol. 34, No 11,pp. 1859-1866, 10 April, 1995.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記技術では、位相変調素子（光波面変調素子）として、例えば、光の位相にexp(iα(x3+y3))のずれを与えるキュービック位相素子が用いられる。ここで、iは虚数単位、αは定数、x,yは、位相変調素子の二次元座標である。このような位相変調素子を一体的に形成すると、３次元形状が複雑になるため、製造性がよくない。
【０００６】
そのため、本発明は、位相変調素子を含む撮像装置の製造性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願開示の撮像装置は、被写体からの光を像面に集光するレンズ系と、前記レンズ系を通過する光に対して、前記レンズ系の光軸に垂直な１の方向に位相差を生じさせることで位相変調を与える第１の位相変調マスクと、前記光に対して前記１の方向とは異なる方向に位相差を生じさせる第２の位相変調マスクとを含む一対の位相変調マスクと、前記一対の位相変調マスクの間に設けられ、前記レンズ系を通過する光の光量を調整する絞りと、前記像面に集光された光を電気信号に変換して画像信号を取得する撮像部と、前記撮像部によって取得された画像信号に対して前記位相変調を復元する画像処理を行う画像処理部と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本願明細書の開示によれば、位相変調素子を含む撮像装置の製造性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１の実施形態における撮像装置の概略構成を示す機能ブロック図である。
【図２】図２は、位相変調マスクおよび絞りの配置例を示す斜視図である。
【図３Ａ】図３Ａは、光学系の構成の一例を示すｙｚ断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、位相変調マスクにおける位相面の一例を示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、光学系の構成一例を示すｘｚ断面図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、位相変調マスクにおける位相面の一例を示す図である。
【図４】図４は、位相変調マスクを設けない光学系におけるＭＴＦの計算例を示すグラフである。
【図５】図５は、図３Ａ〜図３Ｄに示す位相変調マスクを設けた光学系のＭＴＦの計算例を示すグラフである。
【図６】図６は、逆フィルタ特定の例を示す図である。
【図７】図７は、図６に示す逆フィルタ処理後のＭＴＦの強度分布を示すグラフである。
【図８】図８は、絞りが一対の位相マスクの外側にある光学系の断面構成の一例および光路の例を示す図である。
【図９】図９は、絞りが一対の位相マスクの間にある光学系の断面構成の一例および光路の例を示す図である。
【図１０】図８に示す光学系における３パターンの画角ごとのＭＴＦの強度分布を示すグラフである。
【図１１】図９に示す光学系における３パターンの画角ごとのＭＴＦの強度分布を示すグラフである。
【図１２】図１２は、第２の実施形態における位相変調マスクの断面図とその位相面の一部の拡大図である。
【図１３】図１３は、第３の実施形態における位相変調マスクの構成を説明するための断面図である。
【図１４】図１４は、第４の実施形態における光学系の構成の一例を示すｘｙ断面図である。
【図１５】図１５は、位相変調マスクおよび絞りの変形例を示す断面図である。
【図１６】図１６は、第５の実施形態にかかる撮像装置を含むシステム全体の構成例を示す機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態における撮像装置の概略構成を示す機能ブロック図である。図１に示す撮像装置１は、レンズ２、一対の位相変調マスク３ａ、３ｂ、絞り４、撮像部５及び画像処理部６を備える。レンズ２は、被写体からの光を像面に集光するレンズ系の一例である。一対の位相変調マスク３ａ、３ｂは、レンズ系を通過する光に対して、レンズ２の光軸に垂直な１の方向に位相差を生じさせる第１の位相変調マスク３ａと、この光に対して前記１の方向とは異なる方向に位相差を生じさせる第２の位相変調マスクとを含む。絞りは、一対の位相変調マスク３ａ、３ｂの間に設けられ、レンズ系を通過する光の光量を調整する。撮像部５は、レンズ系により像面に集光された光を電気信号に変換して画像データを取得する。撮像部５は、例えば、CCD/CMOS等の二次元撮像素子を含み、レンズ２及び絞り４が、被写体の像を前記二次元撮像素子に結像する。二次元撮像素子は、被写体の像を電子信号（画像信号）に変換して画像処理部６へ入力する。画像処理部６は、撮像部５によって取得された画像に対して前記位相変調を復元する画像処理を行う。
【００１１】
このように、撮像装置１は、被写体からの光を撮像部５の受光面へ結像させて画像データを取得する光学系７と、この画像データを処理する画像処理部６を含む。光学系７は、レンズ２、一対の位相変調マスク３ａ、３ｂ、これら一対の位相変調マスク３ａ、３ｂの間に挿入された絞り４、および、光学系７を通過した被写体像を撮像する撮像部５を含む。画像処理部６は、例えば、光学系７の光学特性の逆フィルタで画像処理を行う。
【００１２】
位相変調マスク３ａ、３ｂは、被写体と撮像部の間に置かれ、光学系の光学的伝達関数（０ＴＦ）を被写体の光軸方向位置によらず一定に変形させるものとすることができる。画像処理部６は、撮像部で撮像した画像を画像処理により、変形していない０ＴＦに戻す処理を実行することができる。これにより、画像処理部６は、被写界深度の深い画像を出力することができる。
【００１３】
具体的には、画像処理部６は、例えば、画像信号に対して、Ａ／Ｄ変換器によるデジタル信号その他必要な変換を施して画像データを得ることができる。画像処理部６は、画像データに対して、位相変調マスク３ａ、３ｂによる位相変調を復元する画像処理を行う。画像処理部６は、例えば、画像データに対して、位相変調マスクによる光伝達関数変調効果を打ち消す逆フィルタ計算を実行することができる。このように、画像処理部６では、光学系７の伝達関数の逆関数（例えば、逆フィルタ）を用いて、撮像部５で得られた画像を畳み込む処理を実行する。この逆関数を表すデータは、予め画像処理部６が記録しておくことが好ましい。
【００１４】
なお、画像処理部６は、画像処理専用のＩＣチップ、または汎用的なＣＰＵなどのようなプロセッサおよびメモリのようなコンピュータで構成することができる。あるいは、画像処理部６はアナログ回路で形成されてもよい。
【００１５】
上記構成のように、異なる方向に位相差を生じさせる一対の位相変調マスク３ａ、３ｂ（位相変調素子）を設けることにより、位相変調マスクの形状が簡易になり、製造性が向上する。また、絞り４が位相変調マスク３ａ、３ｂの間に設けられるので、画角による影響を抑えながらも、被写界深度を増大させることができる。
【００１６】
図２は、位相変調マスク３ａ、３ｂおよび絞りの配置例を示す斜視図である。図２では、レンズ２の光軸をｚ軸とし、ｚ軸に垂直で互いに直行する２つの軸をｘ軸、ｙ軸としている。図２に示す一対の位相変調マスク３ａ、３ｂのうち一方の位相変調マスク３ａは、ｘ軸方向において連続的に厚みが変化する形状を有している。そのため、位相変調マスク３ａでは、レンズ系の光軸に垂直な１の方向（例えば、ｘ方向）において、通過する光に与える位相変調の度合いが変化する。一対の位相変調マスク３ａ、３ｂのうち他方の位相変調マスク３ｂは、ｙ軸方向において連続的に厚みが変化する形状を有している。そのため、位相変調マスク３ｂでは、レンズ系の光軸に垂直でかつ前記１の方向（例えば、ｘ方向）に対しても垂直な方向（例えば、ｙ方向）においてのみ通過する光に与える位相変調の度合いが変化する。ここでは、位相変調マスク３ａと位相変調マスク３ｂは同じ形状であり、向きが９０°異なる位置関係に配置されている。
【００１７】
一対の位相変調マスク３ａ、３ｂそれぞれには、通過する光の位相変調度合いを変化させるための曲面（位相面）が形成され、位相変調マスク３ａ、３ｂそれぞれの位相面が対向するように、一対の位相変調マスク３ａ、３ｂが配置される。
【００１８】
絞り４は、これらの対向する位相面の間に設けられる。絞り４は、光軸に垂直な平面（例えば、ｘｙ平面）に平行に設けられる。図２に示す例では、絞り４は、円形の開口部を有している。なお、開口部は円形に限られず、例えば、正方形であってもよい。
【００１９】
図２に示す例では、上記したように、位相変調マスク３ａの１面に、一方向のみの位相差を生じさせるための第１の位相面を設け、位相面を光軸と直交する位置に配置し、前記一方向および光軸と直交する方向に位相差を生じさせる第２の位相面を持つ位相変調マスク３ｂをさらに配置している。これにより、位相変調マスクの形状をさらに簡易にすることができる。例えば、一枚の位相変調マスクで同様の位相変調を実現する場合に比べて、鋭角部もなく、１方向の高低差を半分にすることができる。その結果、製造性がさらに向上する。また、位相面が対向するように一対の位相変調マスク３ａ、３ｂを配置し、位相面に挟まれる位置に絞り４を設けることで、絞り４の位置を位相面に近づけることができる。絞り面と位相面が近いと、画角の影響がより少なくなる。すなわち、絞り面を一対の位相面の間におくことにより、画角の影響を少なくすることができ、画角による性能劣化を抑えることができる。
【００２０】
図３Ａ〜図３Ｄは、光学系７の構成のさらなる詳細な例を示す図である。図３Ａは、光学系７の構成の一例を示すｘｚ断面図である。図３Ｂは、位相変調マスク３ａにおける位相面の一例を示す図である。図３Ｃは、光学系７の構成一例を示すｙｚ断面図である。図３Ｄは、位相変調マスク３ｂにおける位相面の一例を示す図である。
【００２１】
図３Ａおよび図３Ｂに示す例では、位相変調マスク３ａは、ｘｙ平面に平行な平面を有し、この面に対向する面（この面の裏面）が、ｚ＝ｋｘ3（ここでｋは定数）で表される曲面となっている。そのため、位相変調マスク３ａを通過した光は、ｅｘｐ（ｉα（ｘ3）／２）の位相変調を受ける。すなわち、位相変調マスク３ａの中心（ｘ、ｙ）＝（０、０）を基準とすると、点（ｘ、ｙ）を通過する光の位相差はｅｘｐ（ｉα（ｘ3）／２）で表される。位相変調マスク３ａを通過した光は、通過前の光の波動関数にｅｘｐ（ｉα（ｘ3）／２）を掛けたものとなる。ここで、α／２は、例えば、α／２＝２π（ｎ-１）ｋ／λ（ｎは位相変調マスクの屈折率）で表すことができる。
【００２２】
図３Ｃおよび図３Ｄに示す例では、位相変調マスク３ｂは、ｘｙ平面に平行な平面を有し、この面に対向する面が、ｚ＝ｋｙ3で表される曲面となっている。そのため、位相変調マスク３ｂを通過した光は、位相差ｅｘｐ（ｉα（ｙ3）／２）の位相変調を受ける。位相変調マスク３ｂの中心（ｘ、ｙ）＝（０、０）を基準とすると、点（ｘ、ｙ）を通過する光の位相差はｅｘｐ（ｉα（ｙ3）／２）で表される。位相変調マスク３ｂを通過した光は、通過前の光の波動関数にｅｘｐ（ｉα（ｙ3）／２）を掛けたものとなる。ここで、α／２は、例えば、α／２＝２π（ｎ-１）ｋ／λで表すことができる。
【００２３】
したがって、図３Ａ〜図３Ｄに示す位相変調マスク３ａと位相変調マスク３ｂを通った光は、ｅｘｐ（ｉα（ｘ3）／２）・ｅｘｐ（ｉα（ｙ3）／２）の位相変調を受けることになる。なお、図３Ａ〜図３Ｄに示した位相変調マスクの位相面の形状は一例であり、これに限られない。例えば、位相変調マスク３ａの位相面は、ｚ＝ｋｘ3が表す曲面の他、ｘの奇関数で表される曲面とすることができる。位相変調マスク３ｂが与える位相差を、ｅｘｐ（ｉφ（ｘ））とすると、φ（ｘ）は、ｘの３乗の関数にこだわらず、その他の奇関数であってもよい。位相変調マスク３ｂの位相面も同様に、位相差ｅｘｐ（ｉφ（ｙ））のφ（ｙ）は、他のｙの奇関数であってもよい。
【００２４】
ここで、例えば、１枚の位相変調マスクで形成する場合、その位相変調マスクの位相面は、ｚ＝ｋ´（ｘ3＋ｙ3）とすることができる。位相変調マスクは、通過する光にｅｘｐ（ｉα（ｘ3＋ｙ3）／２）の位相変調を与える。この場合、位相面の形状が複雑になり、製造性が悪くなる。また、位相面に１点の尖った鋭角部ができるので、壊れやすくなる。これに比べて、図３Ａ〜図３Ｄに示した例では、位相差の方向を分離して一対の位相変調マスク３ａ、３ｂとすることで、形状が複雑でなく、また鋭角部もなく、１方向の高低差が半分で設定できる。その結果、製造性が向上する。さらに、位相差を分離したことにより、位置決めが一方向のみとなり、組み立て性が向上する。
【００２５】
［被写界深度の拡大効果］
図４は、位相変調マスク３ａ、３ｂを設けない光学系におけるＭＴＦの計算例を示すグラフである。図５は、図３Ａ〜図３Ｄに示す位相変調マスク３ａ、３ｂを設けた光学系のＭＴＦの計算例を示すグラフである。図４、図５において、横軸は空間周波数を示し、縦軸はＭＴＦを示す。また、図４、図５において、Ｒ１およびＷ１は、被写体が焦点位置にあるときのＭＴＦの強度分布、Ｒ２およびＷ２は、被写体が焦点位置からずれた場合のＭＴＦの強度分布、Ｒ３およびＷ２は、被写体が焦点位置からさらにずれた場合のＭＴＦの強度分布を示す。
【００２６】
図４に示す例のように、位相変調マスクを持たない光学系では、被写体が焦点位置からずれて焦点がボケるとＭＴＦが劣化する。これに対して、図５に示す例のように、位相変調マスク３ａ、３ｂを備える光学系７では、焦点がぼけてもＭＴＦの変化は少ない。
【００２７】
位相変調マスク３ａ、３ｂを備える光学系７で撮像された画像に対して、図６に示す特性の逆フィルタによる処理を行うことにより、図７に示すようなＭＴＦの強度分布Ｗ１ａ、〜Ｗ３ａが得られる。すなわち、図５のＭＴＦ強度分布Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３は、図７に示す逆フィルタ処理後の強度分布Ｗ１ａ、Ｗ２ａ、Ｗ３ａにそれぞれ対応している。図７に示すＭＴＦ強度分布はいずれも、被写体が焦点距離にある場合のＭＴＦ強度分布（例えば、図４のＲ１）に近い形を有している。このように、位相変調マスク３ａ、３ｂを有する光学系で得られた画像は、焦点がぼけた場合でも逆フィルタにより焦点ずれの少ない画像に補正することが可能になる。
【００２８】
［絞り面による性能評価］
図８は、絞りが一対の位相マスクの外側にある光学系の断面構成の一例および光路の例を示す図である。図９は、絞りが一対の位相マスクの間にある光学系の断面構成の一例および光路の例を示す図である。図８および図９においては、画角が異なる３パターン（画角が大、中、小のパターン）の光路をそれぞれ、画角の大きい順に、太線、中太線、細線で示している。
【００２９】
図８に示す例では、絞り４は、一対の位相マスク３ａ、３ｂの外側であって、撮像部６側に、が設けられている。図９に示す例では、絞り４は、一対の位相マスク３ａ、３ｂの間に設けられている。図９に示す例では、２つの位相面の間に絞り面が配置されているので、図８に示す例とは光路が異なっている。
【００３０】
図１０は、図８に示す光学系における３パターンの画角ごとのＭＴＦの強度分布を示すグラフである。図１１は、図９に示す光学系における３パターンの画角ごとのＭＴＦの強度分布を示すグラフである。図１０および図１１において、画角が大の場合のＭＴＦを太線、画角が中の場合のＭＴＦを中太線、画角が小の場合のＭＴＦを細線で表している。実線はＹ方向のＭＴＦ、一点鎖線はＸ方向のＭＴＦを表している。点線は回折限界を示している。
【００３１】
図１０および図１１を比較すると、絞り面が位相面の間に配置された光学系では、絞り面が位相面の間にない構成に比べて、ＭＴＦの画角によるばらつきが小さいことが分かる。このことから、例えば、図８に示すように絞り面が位相変調マスクの対の外にあると、画角の影響によりＭＴＦのばらつきが大きく、性能が劣化するといえる。これに対して、絞り面を一対の位相変調マスクの間に置くことにより、ＭＴＦばらつきを抑えることができる。その結果、画角の影響を少なくすることができ、性能劣化を抑えることができる。
【００３２】
（第２の実施形態）
上記第１の実施形態では、位相変調マスク３ａ、３ｂの位相面を曲面としたが、位相面は階段状にする形成することもできる。例えば、位相変調マスクの光軸方向（例えばｚ方向）の厚みが、ある１の方向（例えばｘ方向またはｙ方向）において段階的に変化するように位相面を形成することができる。すなわち、各位相変調マスク３ａ、３ｂの位相面は、光軸方向に垂直な面に平行な面を各ステップに持つ階段であって、前記１の方向にステップアップしていく階段の形状とすることができる。これにより、通過する光に対して、前記１の方向において位相差を生じさせることができる。すなわち、位相変調マスクにおいて、一方向の位相差を階段状とすることができる。このように、位相面を階段状とする構成の方が、位相面が曲面である構成に比べて作りやすい。
【００３３】
上記第１の実施形態と同様に、位相変調マスク３ａ、３ｂそれぞれの位相面におけるステップアップする方向は、互いに直交することが好ましい。また、各段の前記１の方向における幅は、光の波長を超えないことが好ましい。一段の幅を波長以下とすることにより、階段状にすることによる影響が見えにくくなる。
【００３４】
図１２は、本実施形態における位相変調マスク３ａの断面図とその位相面の一部の拡大図である。図１２の拡大図は、位相変調マスク３ａにおいて点線で示される領域Ｔの部分の拡大図である。図１２に示す例では、位相変調マスク３ａの位相面は、ｘ方向にそってステップアップする階段で形成されている。階段の各段のｘ方向における幅Ｌは、光の波長を越えないよう形成される。位相変調マスク３ｂの位相面にも、同様に、ｙ方向にステップアップする階段が形成される。このように位相面を階段状とすることにより、位相面を曲面にするよりも製造が容易になる。
【００３５】
（第３の実施形態）
上記第１および第２の実施形態では、位相変調マスクは、光軸方向の厚みが、垂直な面内の１の方向において変化するよう形成される。厚みが変化すると光路長が変化するので、前記１の方向に位相差が生じる。本実施形態では、この位相差が生じる前記１の方向において、位相変調マスクを、例えば、光の波長とほぼ同じ幅を持つ複数の領域に分割し、それぞれの領域内で独立して厚みを変化させる。これにより、位相変調マスクの厚みを減らすことができる。
【００３６】
図１３Ａは、第３の実施形態における位相変調マスク３ａ１の構成を説明するための断面図である。図１３Ａの上段に示す例では、位相変調マスク３ａ１を、ｘ方向において、光の波長と同じ幅Ｈを持つ複数の領域に分割し、それぞれの領域ごとに独立して厚みを変化させる。すなわち、位相変調マスク３ａ１の厚みは、領域ごとにリセットされ、各領域で所定レベルを基準に変化する。そのため、位相変調マスク３ａ１の、ｘｚ断面は、少なくとも一部において、厚みが周期的に変化するノコギリ状となる。
【００３７】
図１３Ａの上段に示す位相変調マスク３ａ１は、下段に示す位相変調マスク３ａと同様の位相変調機能を有する。図１３Ａの下段に示す位相変調マスク３ａは、第１または第２の実施形態における位相変調マスク３ａと同様の構成である。上段に示す位相変調マスク３ａ１は、下段に示す位相変調マスク３ａの厚みの変化が比較的急な領域、すなわち、両端から一定の領域において、ｘ方向に幅Ｈごとに分割し、分割領域ごとに厚みを変化させた構成である。各分割領域では、所定のレベルを基準にして厚みが変化している。
【００３８】
このように、フレネルレンズのごとく波長幅で分割し、分割した領域ごとに厚みを変化させてノコギリ状に形成することで、位相変調マスク３ａ１全体の厚みを小さく抑えることができる。
【００３９】
なお、波長幅で分割された各領域においては、第１の実施形態のように位相面を曲面としてもよいし、第２の実施形態のように、段階的に厚みが変化する構成であってもよい。例えば、図１３Ａの上段に示す位相変調マスク３ａ１における領域Ｔは、図１２の領域Ｔの拡大図と同様に階段状に構成することができる。
【００４０】
図１３Ａでは、第１または第２の実施形態における位相変調マスク３ａをｘ方向に複数の領域に分割する例を示したが、同様にして、位相変調マスク３ｂをｙ方向に複数の領域に分割し、各領域でｙ方向において厚みを変化させることができる。
【００４１】
図１３Ｂは、変形例の位相変調マスク３ａ２の構成を説明するための断面図である。図１３Ｂの上段に示す例は、図１３Ｂの下段に示す位相変調マスク３ａを、厚みが一定（Ｌ）のフレネルレンズのようになるように分割した構成である。この場合、ｘ方向の分割幅は、一定とならず、外側にいくほど狭くなる。
【００４２】
（第４の実施形態）
図１４は、第４の実施形態における光学系７の構成の一例を示すｘｙ断面図である。図１４に示す例では、位相変調マスク３ｂの位相面に対向する面に偏光素子８が設けられている。言い換えると、偏光素子８の裏面が、位相変調マスク３ｂになっている。
【００４３】
このように、位相変調マスク３ｂは、光軸と直交する方向に別の機能を有する光学素子を１面持ち、その裏面が一方向の位相差を生じさせる位相面となる構成にすることができる。もしくは、位相変調マスク３ｂは、位相面を有する素子と、他の機能を有する光学素子とを張り合わせた構成にすることができる。上記光学素子としては、例えば、偏光フィルタ（偏光素子）等や平凸レンズが含まれるが、特定のものに限定されない。
【００４４】
位相変調マスクと他の機能を持つ光学素子とを組み合わせることにより、構造の簡略化が図れ、低コスト化が可能となる。
【００４５】
図１４に示す例では、一対の位相変調マスク３ａ、３ｂそれぞれの位相面が対向するように、一対の位相変調マスク３ａ、３ｂが配置され、位相面の裏側、すなわち、一対の位相変調マスク３ａ、３ｂの外側に他の光学素子が形成される。対向する位相面の間に絞り４が設けられる。このように、位相面を絞り面側に設けることにより、画角の影響を少なくしつつも、他の光学素子との結合が可能になる。
【００４６】
図１５は、位相変調マスク３ａ、３ｂおよび絞り４の変形例を示す断面図である。図１５に示す例では、位相変調マスク３ａ、３ｂは、それぞれ、位相面とその位相面の裏側に位置する平面を有しており、位相変調マスク３ａ、３ｂの前記平面どうしが対向し、位相面が外側に位置するように一対の位相変調マスク３ａ、３ｂが配置される。対向する平面面の間に絞り４が設けられる。また、一方の位相変調マスク３ａの位相面の裏側の平面には、位相変調以外の機能を有する光学素子８が形成される。この場合、絞り４は、位相変調マスク３ａ、３ｂと別体でなくてもよい。例えば、位相変調マスク３ａ、３ｂに蒸着により絞り４を直接形成することもできる。
【００４７】
（第５の実施形態）
図１６は、第５の実施形態にかかる撮像装置１を含むシステム全体の構成例を示す機能ブロック図である。図１６において、図１と同じ機能ブロックには、同じ番号を付している。図１６に示す構成例では、位相変調マスク３ａ、３ｂの間に可変絞り４ａが設けられる。また、図１６に示すシステムは、制御部９、記録部１１、表示部１２、操作部１３をさらに備える。
【００４８】
制御部９は、可変絞り４ａの絞り度（開口度）を制御する。また、ユーザからの操作部１３を介した操作入力に応じて、撮像装置１の動作を決定し、制御することもできる。制御部９は、画像処理部６と同様に、画像処理専用のＩＣチップ、または汎用的なＣＰＵなどのようなプロセッサおよびメモリのようなコンピュータで構成することができる。
【００４９】
記録部１１は、画像処理部６が出力した画像データを格納する。表示部１２は、記録部１１に格納された画像データを表示する。表示部１２は、例えば、液晶表示パネル等で形成することができる。操作部１３は、例えば、ボタン、ダイヤル、キーボード、その他入力デバイスを含み、ユーザの操作入力を可能にするインターフェースとして機能する。
【００５０】
上記構成において、可変絞り４ａにより絞りを絞って撮影を行う場合、絞りによって位相変調マスクが覆われて通過する光の位相が変化する。そのため、制御部９は、開口度等の絞り情報を画像処理部６へ通知することが好ましい。これにより、画像処理部６は、絞り情報に基づいて、位相変調マスク３ａ、３ｂによる位相変調に応じた適切な画像を復元することができる。例えば、画像処理部６は、複数段階の絞り度合いを示す値と、それぞれの段階に対応する逆フィルタに関するデータとを予め記録しておき、制御部９から受け取った絞りの度合いに対応する逆フィルタの処理を画像に施すことができる。
【００５１】
（その他の変形例）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記第１〜第５の実施形態に限定されない。
【００５２】
上記実施形態では、位相変調マスク３ａ、３ｂとして、厚みが変化する光学素子位相板を用いた場合について説明したが、位相変調マスク３ａ、３ｂはこれに限定されず、その他の、波面を変形させる波面変調素子を用いることができる。例えば、屈折率分布型波面変調レンズのように屈折率が場所によって変化する光学素子や、波面変調ハイブリッドレンズのように、レンズ表面へのコーディング等により厚み、屈折率が変化する光学素子を用いることができる。さらに、液晶空間位相変調素子光のような、位相分布を変調可能な液晶素子等を位相変調マスクとして用いることができる。
【００５３】
また、撮像装置の用途は特に限定されない。上記撮像装置は、例えば、デジタルスチルカメラ、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、情報コード読取装置等に用いることができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レンズ等を含む光学系によって、被写体を撮像素子上に結像する撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光波面変調素子である位相板により光束を規則的に分散し、デジタル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撮像装置が提案されている。（例えば、特許文献１―２、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２３５７９４号公報
【特許文献２】特開２０００−９８３０３号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Edward. R. Dowski, Jr., and W. Thomas. Cathey, “Extended depth of field through wave-front coding”, Applied Optics, Vol. 34, No 11,pp. 1859-1866, 10 April, 1995.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記技術では、位相変調素子（光波面変調素子）として、例えば、光の位相にexp(iα(x3+y3))のずれを与えるキュービック位相素子が用いられる。ここで、iは虚数単位、αは定数、x,yは、位相変調素子の二次元座標である。このような位相変調素子を一体的に形成すると、３次元形状が複雑になるため、製造性がよくない。
【０００６】
そのため、本発明は、位相変調素子を含む撮像装置の製造性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願開示の撮像装置は、被写体からの光を像面に集光するレンズ系と、前記レンズ系を通過する光に対して、前記レンズ系の光軸に垂直な１の方向に位相差を生じさせることで位相変調を与える第１の位相変調マスクと、前記光に対して前記１の方向とは異なる方向に位相差を生じさせる第２の位相変調マスクとを含む一対の位相変調マスクと、前記一対の位相変調マスクの間に設けられ、前記レンズ系を通過する光の光量を調整する絞りと、前記像面に集光された光を電気信号に変換して画像信号を取得する撮像部と、前記撮像部によって取得された画像信号に対して前記位相変調を復元する画像処理を行う画像処理部と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本願明細書の開示によれば、位相変調素子を含む撮像装置の製造性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１の実施形態における撮像装置の概略構成を示す機能ブロック図である。
【図２】図２は、位相変調マスクおよび絞りの配置例を示す斜視図である。
【図３Ａ】図３Ａは、光学系の構成の一例を示すｙｚ断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、位相変調マスクにおける位相面の一例を示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、光学系の構成一例を示すｘｚ断面図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、位相変調マスクにおける位相面の一例を示す図である。
【図４】図４は、位相変調マスクを設けない光学系におけるＭＴＦの計算例を示すグラフである。
【図５】図５は、図３Ａ〜図３Ｄに示す位相変調マスクを設けた光学系のＭＴＦの計算例を示すグラフである。
【図６】図６は、逆フィルタ特定の例を示す図である。
【図７】図７は、図６に示す逆フィルタ処理後のＭＴＦの強度分布を示すグラフである。
【図８】図８は、絞りが一対の位相マスクの外側にある光学系の断面構成の一例および光路の例を示す図である。
【図９】図９は、絞りが一対の位相マスクの間にある光学系の断面構成の一例および光路の例を示す図である。
【図１０】図８に示す光学系における３パターンの画角ごとのＭＴＦの強度分布を示すグラフである。
【図１１】図９に示す光学系における３パターンの画角ごとのＭＴＦの強度分布を示すグラフである。
【図１２】図１２は、第２の実施形態における位相変調マスクの断面図とその位相面の一部の拡大図である。
【図１３】図１３は、第３の実施形態における位相変調マスクの構成を説明するための断面図である。
【図１４】図１４は、第４の実施形態における光学系の構成の一例を示すｘｙ断面図である。
【図１５】図１５は、位相変調マスクおよび絞りの変形例を示す断面図である。
【図１６】図１６は、第５の実施形態にかかる撮像装置を含むシステム全体の構成例を示す機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態における撮像装置の概略構成を示す機能ブロック図である。図１に示す撮像装置１は、レンズ２、一対の位相変調マスク３ａ、３ｂ、絞り４、撮像部５及び画像処理部６を備える。レンズ２は、被写体からの光を像面に集光するレンズ系の一例である。一対の位相変調マスク３ａ、３ｂは、レンズ系を通過する光に対して、レンズ２の光軸に垂直な１の方向に位相差を生じさせる第１の位相変調マスク３ａと、この光に対して前記１の方向とは異なる方向に位相差を生じさせる第２の位相変調マスクとを含む。絞りは、一対の位相変調マスク３ａ、３ｂの間に設けられ、レンズ系を通過する光の光量を調整する。撮像部５は、レンズ系により像面に集光された光を電気信号に変換して画像データを取得する。撮像部５は、例えば、CCD/CMOS等の二次元撮像素子を含み、レンズ２及び絞り４が、被写体の像を前記二次元撮像素子に結像する。二次元撮像素子は、被写体の像を電子信号（画像信号）に変換して画像処理部６へ入力する。画像処理部６は、撮像部５によって取得された画像に対して前記位相変調を復元する画像処理を行う。
【００１１】
このように、撮像装置１は、被写体からの光を撮像部５の受光面へ結像させて画像データを取得する光学系７と、この画像データを処理する画像処理部６を含む。光学系７は、レンズ２、一対の位相変調マスク３ａ、３ｂ、これら一対の位相変調マスク３ａ、３ｂの間に挿入された絞り４、および、光学系７を通過した被写体像を撮像する撮像部５を含む。画像処理部６は、例えば、光学系７の光学特性の逆フィルタで画像処理を行う。
【００１２】
位相変調マスク３ａ、３ｂは、被写体と撮像部の間に置かれ、光学系の光学的伝達関数（０ＴＦ）を被写体の光軸方向位置によらず一定に変形させるものとすることができる。画像処理部６は、撮像部で撮像した画像を画像処理により、変形していない０ＴＦに戻す処理を実行することができる。これにより、画像処理部６は、被写界深度の深い画像を出力することができる。
【００１３】
具体的には、画像処理部６は、例えば、画像信号に対して、Ａ／Ｄ変換器によるデジタル信号その他必要な変換を施して画像データを得ることができる。画像処理部６は、画像データに対して、位相変調マスク３ａ、３ｂによる位相変調を復元する画像処理を行う。画像処理部６は、例えば、画像データに対して、位相変調マスクによる光伝達関数変調効果を打ち消す逆フィルタ計算を実行することができる。このように、画像処理部６では、光学系７の伝達関数の逆関数（例えば、逆フィルタ）を用いて、撮像部５で得られた画像を畳み込む処理を実行する。この逆関数を表すデータは、予め画像処理部６が記録しておくことが好ましい。
【００１４】
なお、画像処理部６は、画像処理専用のＩＣチップ、または汎用的なＣＰＵなどのようなプロセッサおよびメモリのようなコンピュータで構成することができる。あるいは、画像処理部６はアナログ回路で形成されてもよい。
【００１５】
上記構成のように、異なる方向に位相差を生じさせる一対の位相変調マスク３ａ、３ｂ（位相変調素子）を設けることにより、位相変調マスクの形状が簡易になり、製造性が向上する。また、絞り４が位相変調マスク３ａ、３ｂの間に設けられるので、画角による影響を抑えながらも、被写界深度を増大させることができる。
【００１６】
図２は、位相変調マスク３ａ、３ｂおよび絞りの配置例を示す斜視図である。図２では、レンズ２の光軸をｚ軸とし、ｚ軸に垂直で互いに直行する２つの軸をｘ軸、ｙ軸としている。図２に示す一対の位相変調マスク３ａ、３ｂのうち一方の位相変調マスク３ａは、ｘ軸方向において連続的に厚みが変化する形状を有している。そのため、位相変調マスク３ａでは、レンズ系の光軸に垂直な１の方向（例えば、ｘ方向）において、通過する光に与える位相変調の度合いが変化する。一対の位相変調マスク３ａ、３ｂのうち他方の位相変調マスク３ｂは、ｙ軸方向において連続的に厚みが変化する形状を有している。そのため、位相変調マスク３ｂでは、レンズ系の光軸に垂直でかつ前記１の方向（例えば、ｘ方向）に対しても垂直な方向（例えば、ｙ方向）においてのみ通過する光に与える位相変調の度合いが変化する。ここでは、位相変調マスク３ａと位相変調マスク３ｂは同じ形状であり、向きが９０°異なる位置関係に配置されている。
【００１７】
一対の位相変調マスク３ａ、３ｂそれぞれには、通過する光の位相変調度合いを変化させるための曲面（位相面）が形成され、位相変調マスク３ａ、３ｂそれぞれの位相面が対向するように、一対の位相変調マスク３ａ、３ｂが配置される。
【００１８】
絞り４は、これらの対向する位相面の間に設けられる。絞り４は、光軸に垂直な平面（例えば、ｘｙ平面）に平行に設けられる。図２に示す例では、絞り４は、円形の開口部を有している。なお、開口部は円形に限られず、例えば、正方形であってもよい。
【００１９】
図２に示す例では、上記したように、位相変調マスク３ａの１面に、一方向のみの位相差を生じさせるための第１の位相面を設け、位相面を光軸と直交する位置に配置し、前記一方向および光軸と直交する方向に位相差を生じさせる第２の位相面を持つ位相変調マスク３ｂをさらに配置している。これにより、位相変調マスクの形状をさらに簡易にすることができる。例えば、一枚の位相変調マスクで同様の位相変調を実現する場合に比べて、鋭角部もなく、１方向の高低差を半分にすることができる。その結果、製造性がさらに向上する。また、位相面が対向するように一対の位相変調マスク３ａ、３ｂを配置し、位相面に挟まれる位置に絞り４を設けることで、絞り４の位置を位相面に近づけることができる。絞り面と位相面が近いと、画角の影響がより少なくなる。すなわち、絞り面を一対の位相面の間におくことにより、画角の影響を少なくすることができ、画角による性能劣化を抑えることができる。
【００２０】
図３Ａ〜図３Ｄは、光学系７の構成のさらなる詳細な例を示す図である。図３Ａは、光学系７の構成の一例を示すｘｚ断面図である。図３Ｂは、位相変調マスク３ａにおける位相面の一例を示す図である。図３Ｃは、光学系７の構成一例を示すｙｚ断面図である。図３Ｄは、位相変調マスク３ｂにおける位相面の一例を示す図である。
【００２１】
図３Ａおよび図３Ｂに示す例では、位相変調マスク３ａは、ｘｙ平面に平行な平面を有し、この面に対向する面（この面の裏面）が、ｚ＝ｋｘ3（ここでｋは定数）で表される曲面となっている。そのため、位相変調マスク３ａを通過した光は、ｅｘｐ（ｉα（ｘ3）／２）の位相変調を受ける。すなわち、位相変調マスク３ａの中心（ｘ、ｙ）＝（０、０）を基準とすると、点（ｘ、ｙ）を通過する光の位相差はｅｘｐ（ｉα（ｘ3）／２）で表される。位相変調マスク３ａを通過した光は、通過前の光の波動関数にｅｘｐ（ｉα（ｘ3）／２）を掛けたものとなる。ここで、α／２は、例えば、α／２＝２π（ｎ-１）ｋ／λ（ｎは位相変調マスクの屈折率）で表すことができる。
【００２２】
図３Ｃおよび図３Ｄに示す例では、位相変調マスク３ｂは、ｘｙ平面に平行な平面を有し、この面に対向する面が、ｚ＝ｋｙ3で表される曲面となっている。そのため、位相変調マスク３ｂを通過した光は、位相差ｅｘｐ（ｉα（ｙ3）／２）の位相変調を受ける。位相変調マスク３ｂの中心（ｘ、ｙ）＝（０、０）を基準とすると、点（ｘ、ｙ）を通過する光の位相差はｅｘｐ（ｉα（ｙ3）／２）で表される。位相変調マスク３ｂを通過した光は、通過前の光の波動関数にｅｘｐ（ｉα（ｙ3）／２）を掛けたものとなる。ここで、α／２は、例えば、α／２＝２π（ｎ-１）ｋ／λで表すことができる。
【００２３】
したがって、図３Ａ〜図３Ｄに示す位相変調マスク３ａと位相変調マスク３ｂを通った光は、ｅｘｐ（ｉα（ｘ3）／２）・ｅｘｐ（ｉα（ｙ3）／２）の位相変調を受けることになる。なお、図３Ａ〜図３Ｄに示した位相変調マスクの位相面の形状は一例であり、これに限られない。例えば、位相変調マスク３ａの位相面は、ｚ＝ｋｘ3が表す曲面の他、ｘの奇関数で表される曲面とすることができる。位相変調マスク３ｂが与える位相差を、ｅｘｐ（ｉφ（ｘ））とすると、φ（ｘ）は、ｘの３乗の関数にこだわらず、その他の奇関数であってもよい。位相変調マスク３ｂの位相面も同様に、位相差ｅｘｐ（ｉφ（ｙ））のφ（ｙ）は、他のｙの奇関数であってもよい。
【００２４】
ここで、例えば、１枚の位相変調マスクで形成する場合、その位相変調マスクの位相面は、ｚ＝ｋ´（ｘ3＋ｙ3）とすることができる。位相変調マスクは、通過する光にｅｘｐ（ｉα（ｘ3＋ｙ3）／２）の位相変調を与える。この場合、位相面の形状が複雑になり、製造性が悪くなる。また、位相面に１点の尖った鋭角部ができるので、壊れやすくなる。これに比べて、図３Ａ〜図３Ｄに示した例では、位相差の方向を分離して一対の位相変調マスク３ａ、３ｂとすることで、形状が複雑でなく、また鋭角部もなく、１方向の高低差が半分で設定できる。その結果、製造性が向上する。さらに、位相差を分離したことにより、位置決めが一方向のみとなり、組み立て性が向上する。
【００２５】
［被写界深度の拡大効果］
図４は、位相変調マスク３ａ、３ｂを設けない光学系におけるＭＴＦの計算例を示すグラフである。図５は、図３Ａ〜図３Ｄに示す位相変調マスク３ａ、３ｂを設けた光学系のＭＴＦの計算例を示すグラフである。図４、図５において、横軸は空間周波数を示し、縦軸はＭＴＦを示す。また、図４、図５において、Ｒ１およびＷ１は、被写体が焦点位置にあるときのＭＴＦの強度分布、Ｒ２およびＷ２は、被写体が焦点位置からずれた場合のＭＴＦの強度分布、Ｒ３およびＷ２は、被写体が焦点位置からさらにずれた場合のＭＴＦの強度分布を示す。
【００２６】
図４に示す例のように、位相変調マスクを持たない光学系では、被写体が焦点位置からずれて焦点がボケるとＭＴＦが劣化する。これに対して、図５に示す例のように、位相変調マスク３ａ、３ｂを備える光学系７では、焦点がぼけてもＭＴＦの変化は少ない。
【００２７】
位相変調マスク３ａ、３ｂを備える光学系７で撮像された画像に対して、図６に示す特性の逆フィルタによる処理を行うことにより、図７に示すようなＭＴＦの強度分布Ｗ１ａ、〜Ｗ３ａが得られる。すなわち、図５のＭＴＦ強度分布Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３は、図７に示す逆フィルタ処理後の強度分布Ｗ１ａ、Ｗ２ａ、Ｗ３ａにそれぞれ対応している。図７に示すＭＴＦ強度分布はいずれも、被写体が焦点距離にある場合のＭＴＦ強度分布（例えば、図４のＲ１）に近い形を有している。このように、位相変調マスク３ａ、３ｂを有する光学系で得られた画像は、焦点がぼけた場合でも逆フィルタにより焦点ずれの少ない画像に補正することが可能になる。
【００２８】
［絞り面による性能評価］
図８は、絞りが一対の位相マスクの外側にある光学系の断面構成の一例および光路の例を示す図である。図９は、絞りが一対の位相マスクの間にある光学系の断面構成の一例および光路の例を示す図である。図８および図９においては、画角が異なる３パターン（画角が大、中、小のパターン）の光路をそれぞれ、画角の大きい順に、太線、中太線、細線で示している。
【００２９】
図８に示す例では、絞り４は、一対の位相マスク３ａ、３ｂの外側であって、撮像部６側に、が設けられている。図９に示す例では、絞り４は、一対の位相マスク３ａ、３ｂの間に設けられている。図９に示す例では、２つの位相面の間に絞り面が配置されているので、図８に示す例とは光路が異なっている。
【００３０】
図１０は、図８に示す光学系における３パターンの画角ごとのＭＴＦの強度分布を示すグラフである。図１１は、図９に示す光学系における３パターンの画角ごとのＭＴＦの強度分布を示すグラフである。図１０および図１１において、画角が大の場合のＭＴＦを太線、画角が中の場合のＭＴＦを中太線、画角が小の場合のＭＴＦを細線で表している。実線はＹ方向のＭＴＦ、一点鎖線はＸ方向のＭＴＦを表している。点線は回折限界を示している。
【００３１】
図１０および図１１を比較すると、絞り面が位相面の間に配置された光学系では、絞り面が位相面の間にない構成に比べて、ＭＴＦの画角によるばらつきが小さいことが分かる。このことから、例えば、図８に示すように絞り面が位相変調マスクの対の外にあると、画角の影響によりＭＴＦのばらつきが大きく、性能が劣化するといえる。これに対して、絞り面を一対の位相変調マスクの間に置くことにより、ＭＴＦばらつきを抑えることができる。その結果、画角の影響を少なくすることができ、性能劣化を抑えることができる。
【００３２】
（第２の実施形態）
上記第１の実施形態では、位相変調マスク３ａ、３ｂの位相面を曲面としたが、位相面は階段状にする形成することもできる。例えば、位相変調マスクの光軸方向（例えばｚ方向）の厚みが、ある１の方向（例えばｘ方向またはｙ方向）において段階的に変化するように位相面を形成することができる。すなわち、各位相変調マスク３ａ、３ｂの位相面は、光軸方向に垂直な面に平行な面を各ステップに持つ階段であって、前記１の方向にステップアップしていく階段の形状とすることができる。これにより、通過する光に対して、前記１の方向において位相差を生じさせることができる。すなわち、位相変調マスクにおいて、一方向の位相差を階段状とすることができる。このように、位相面を階段状とする構成の方が、位相面が曲面である構成に比べて作りやすい。
【００３３】
上記第１の実施形態と同様に、位相変調マスク３ａ、３ｂそれぞれの位相面におけるステップアップする方向は、互いに直交することが好ましい。また、各段の前記１の方向における幅は、光の波長を超えないことが好ましい。一段の幅を波長以下とすることにより、階段状にすることによる影響が見えにくくなる。
【００３４】
図１２は、本実施形態における位相変調マスク３ａの断面図とその位相面の一部の拡大図である。図１２の拡大図は、位相変調マスク３ａにおいて点線で示される領域Ｔの部分の拡大図である。図１２に示す例では、位相変調マスク３ａの位相面は、ｘ方向にそってステップアップする階段で形成されている。階段の各段のｘ方向における幅Ｌは、光の波長を越えないよう形成される。位相変調マスク３ｂの位相面にも、同様に、ｙ方向にステップアップする階段が形成される。このように位相面を階段状とすることにより、位相面を曲面にするよりも製造が容易になる。
【００３５】
（第３の実施形態）
上記第１および第２の実施形態では、位相変調マスクは、光軸方向の厚みが、垂直な面内の１の方向において変化するよう形成される。厚みが変化すると光路長が変化するので、前記１の方向に位相差が生じる。本実施形態では、この位相差が生じる前記１の方向において、位相変調マスクを、例えば、光の波長とほぼ同じ幅を持つ複数の領域に分割し、それぞれの領域内で独立して厚みを変化させる。これにより、位相変調マスクの厚みを減らすことができる。
【００３６】
図１３Ａは、第３の実施形態における位相変調マスク３ａ１の構成を説明するための断面図である。図１３Ａの上段に示す例では、位相変調マスク３ａ１を、ｘ方向において、光の波長と同じ幅Ｈを持つ複数の領域に分割し、それぞれの領域ごとに独立して厚みを変化させる。すなわち、位相変調マスク３ａ１の厚みは、領域ごとにリセットされ、各領域で所定レベルを基準に変化する。そのため、位相変調マスク３ａ１の、ｘｚ断面は、少なくとも一部において、厚みが周期的に変化するノコギリ状となる。
【００３７】
図１３Ａの上段に示す位相変調マスク３ａ１は、下段に示す位相変調マスク３ａと同様の位相変調機能を有する。図１３Ａの下段に示す位相変調マスク３ａは、第１または第２の実施形態における位相変調マスク３ａと同様の構成である。上段に示す位相変調マスク３ａ１は、下段に示す位相変調マスク３ａの厚みの変化が比較的急な領域、すなわち、両端から一定の領域において、ｘ方向に幅Ｈごとに分割し、分割領域ごとに厚みを変化させた構成である。各分割領域では、所定のレベルを基準にして厚みが変化している。
【００３８】
このように、フレネルレンズのごとく波長幅で分割し、分割した領域ごとに厚みを変化させてノコギリ状に形成することで、位相変調マスク３ａ１全体の厚みを小さく抑えることができる。
【００３９】
なお、波長幅で分割された各領域においては、第１の実施形態のように位相面を曲面としてもよいし、第２の実施形態のように、段階的に厚みが変化する構成であってもよい。例えば、図１３Ａの上段に示す位相変調マスク３ａ１における領域Ｔは、図１２の領域Ｔの拡大図と同様に階段状に構成することができる。
【００４０】
図１３Ａでは、第１または第２の実施形態における位相変調マスク３ａをｘ方向に複数の領域に分割する例を示したが、同様にして、位相変調マスク３ｂをｙ方向に複数の領域に分割し、各領域でｙ方向において厚みを変化させることができる。
【００４１】
図１３Ｂは、変形例の位相変調マスク３ａ２の構成を説明するための断面図である。図１３Ｂの上段に示す例は、図１３Ｂの下段に示す位相変調マスク３ａを、厚みが一定（Ｌ）のフレネルレンズのようになるように分割した構成である。この場合、ｘ方向の分割幅は、一定とならず、外側にいくほど狭くなる。
【００４２】
（第４の実施形態）
図１４は、第４の実施形態における光学系７の構成の一例を示すｘｙ断面図である。図１４に示す例では、位相変調マスク３ｂの位相面に対向する面に偏光素子８が設けられている。言い換えると、偏光素子８の裏面が、位相変調マスク３ｂになっている。
【００４３】
このように、位相変調マスク３ｂは、光軸と直交する方向に別の機能を有する光学素子を１面持ち、その裏面が一方向の位相差を生じさせる位相面となる構成にすることができる。もしくは、位相変調マスク３ｂは、位相面を有する素子と、他の機能を有する光学素子とを張り合わせた構成にすることができる。上記光学素子としては、例えば、偏光フィルタ（偏光素子）等や平凸レンズが含まれるが、特定のものに限定されない。
【００４４】
位相変調マスクと他の機能を持つ光学素子とを組み合わせることにより、構造の簡略化が図れ、低コスト化が可能となる。
【００４５】
図１４に示す例では、一対の位相変調マスク３ａ、３ｂそれぞれの位相面が対向するように、一対の位相変調マスク３ａ、３ｂが配置され、位相面の裏側、すなわち、一対の位相変調マスク３ａ、３ｂの外側に他の光学素子が形成される。対向する位相面の間に絞り４が設けられる。このように、位相面を絞り面側に設けることにより、画角の影響を少なくしつつも、他の光学素子との結合が可能になる。
【００４６】
図１５は、位相変調マスク３ａ、３ｂおよび絞り４の変形例を示す断面図である。図１５に示す例では、位相変調マスク３ａ、３ｂは、それぞれ、位相面とその位相面の裏側に位置する平面を有しており、位相変調マスク３ａ、３ｂの前記平面どうしが対向し、位相面が外側に位置するように一対の位相変調マスク３ａ、３ｂが配置される。対向する平面面の間に絞り４が設けられる。また、一方の位相変調マスク３ａの位相面の裏側の平面には、位相変調以外の機能を有する光学素子８が形成される。この場合、絞り４は、位相変調マスク３ａ、３ｂと別体でなくてもよい。例えば、位相変調マスク３ａ、３ｂに蒸着により絞り４を直接形成することもできる。
【００４７】
（第５の実施形態）
図１６は、第５の実施形態にかかる撮像装置１を含むシステム全体の構成例を示す機能ブロック図である。図１６において、図１と同じ機能ブロックには、同じ番号を付している。図１６に示す構成例では、位相変調マスク３ａ、３ｂの間に可変絞り４ａが設けられる。また、図１６に示すシステムは、制御部９、記録部１１、表示部１２、操作部１３をさらに備える。
【００４８】
制御部９は、可変絞り４ａの絞り度（開口度）を制御する。また、ユーザからの操作部１３を介した操作入力に応じて、撮像装置１の動作を決定し、制御することもできる。制御部９は、画像処理部６と同様に、画像処理専用のＩＣチップ、または汎用的なＣＰＵなどのようなプロセッサおよびメモリのようなコンピュータで構成することができる。
【００４９】
記録部１１は、画像処理部６が出力した画像データを格納する。表示部１２は、記録部１１に格納された画像データを表示する。表示部１２は、例えば、液晶表示パネル等で形成することができる。操作部１３は、例えば、ボタン、ダイヤル、キーボード、その他入力デバイスを含み、ユーザの操作入力を可能にするインターフェースとして機能する。
【００５０】
上記構成において、可変絞り４ａにより絞りを絞って撮影を行う場合、絞りによって位相変調マスクが覆われて通過する光の位相が変化する。そのため、制御部９は、開口度等の絞り情報を画像処理部６へ通知することが好ましい。これにより、画像処理部６は、絞り情報に基づいて、位相変調マスク３ａ、３ｂによる位相変調に応じた適切な画像を復元することができる。例えば、画像処理部６は、複数段階の絞り度合いを示す値と、それぞれの段階に対応する逆フィルタに関するデータとを予め記録しておき、制御部９から受け取った絞りの度合いに対応する逆フィルタの処理を画像に施すことができる。
【００５１】
（その他の変形例）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記第１〜第５の実施形態に限定されない。
【００５２】
上記実施形態では、位相変調マスク３ａ、３ｂとして、厚みが変化する光学素子位相板を用いた場合について説明したが、位相変調マスク３ａ、３ｂはこれに限定されず、その他の、波面を変形させる波面変調素子を用いることができる。例えば、屈折率分布型波面変調レンズのように屈折率が場所によって変化する光学素子や、波面変調ハイブリッドレンズのように、レンズ表面へのコーディング等により厚み、屈折率が変化する光学素子を用いることができる。さらに、液晶空間位相変調素子光のような、位相分布を変調可能な液晶素子等を位相変調マスクとして用いることができる。
【００５３】
また、撮像装置の用途は特に限定されない。上記撮像装置は、例えば、デジタルスチルカメラ、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、情報コード読取装置等に用いることができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体からの光を像面に集光するレンズ系と、
前記レンズ系を通過する光に対して、前記レンズ系の光軸に垂直な１の方向に位相差を生じさせることで位相変調を与える第１の位相変調マスクと、前記光に対して前記１の方向とは異なる方向に位相差を生じさせる第２の位相変調マスクとを含む一対の位相変調マスクと、
前記一対の位相変調マスクの間に設けられ、前記レンズ系を通過する光の光量を調整する絞りと、
前記像面に集光された光を電気信号に変換して画像を取得する撮像部と、
前記撮像部によって取得された画像に対して前記位相変調を復元する処理を行う画像処理部と、
を備えた撮像装置。
【請求項２】
前記一対の位相変調マスクは、前記レンズ系の光軸に垂直な１の方向においてのみ通過する光に与える位相変調の度合いが変化する第１の位相変調マスクと、前記レンズ系の光軸に垂直でかつ前記１の方向に対しても垂直な方向においてのみ通過する光に与える位相変調の度合いが変化する第２の位相変調マスクとを含む、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記第１の位相変調マスクは、通過する光に対してｅｘｐ（ｉαｘ3）（ここで、ｉは虚数単位、αは定数、ｘは、光軸に垂直な平面にをｘｙ平面としたときのｘ座標）の位相変調を与え、
前記第２の位相変調マスクは、通過する光に対してｅｘｐ（ｉαｙ3）（ここで、ｉは虚数単位、αは定数、ｙは、光軸に垂直な平面にをｘｙ平面としたときのｙ座標）の位相変調を与える、請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記第１の位相変調マスクは、前記１の方向においてのみ階段状に厚みが変化する形状を有し、前記１の方向における前記階段の各段の幅は、通過する光の波長を越えておらず、
前記第２の位相変調マスクは、前記１の方向に垂直な方向においてのみ階段状に厚みが変化する形状を有し、前記１の方向に垂直な方向における前記階段の各段の幅は、通過する光の波長を越えていない、請求項２または３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記一対の位相変調マスクの少なくとも１の位相変調マスクは、位相変調機能を実現するための位相面と、前記位相面の裏側の面に設けられ、位相変調機能とは異なる他の機能を有する光学素子とを含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記一対の位相変調マスクそれぞれには、通過する光の位相変調度合いを変化させるための曲面または階段状の位相面が形成され、
前記一対の位相変調マスクそれぞれの曲面または階段状が形成された位相面が対向するように、前記一対の位相変調マスクが配置され、
前記絞りは、対向する前記位相面の間に設けられる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１】
被写体からの光を像面に集光するレンズ系と、
前記レンズ系を通過する光に対して、前記レンズ系の光軸に垂直な１の方向に位相差を生じさせることで位相変調を与える第１の位相変調マスクと、前記光に対して前記１の方向とは異なる方向に位相差を生じさせる第２の位相変調マスクとを含む一対の位相変調マスクと、
前記一対の位相変調マスクの間に設けられ、前記レンズ系を通過する光の光量を調整する絞りと、
前記像面に集光された光を電気信号に変換して画像を取得する撮像部と、
前記撮像部によって取得された画像に対して前記位相変調を復元する処理を行う画像処理部と、
を備えた撮像装置。
【請求項２】
前記一対の位相変調マスクは、前記レンズ系の光軸に垂直な１の方向においてのみ通過する光に与える位相変調の度合いが変化する第１の位相変調マスクと、前記レンズ系の光軸に垂直でかつ前記１の方向に対しても垂直な方向においてのみ通過する光に与える位相変調の度合いが変化する第２の位相変調マスクとを含む、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記第１の位相変調マスクは、通過する光に対してｅｘｐ（ｉαｘ3）（ここで、ｉは虚数単位、αは定数、ｘは、光軸に垂直な平面にをｘｙ平面としたときのｘ座標）の位相変調を与え、
前記第２の位相変調マスクは、通過する光に対してｅｘｐ（ｉαｙ3）（ここで、ｉは虚数単位、αは定数、ｙは、光軸に垂直な平面にをｘｙ平面としたときのｙ座標）の位相変調を与える、請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記第１の位相変調マスクは、前記１の方向においてのみ階段状に厚みが変化する形状を有し、前記１の方向における前記階段の各段の幅は、通過する光の波長を越えておらず、
前記第２の位相変調マスクは、前記１の方向に垂直な方向においてのみ階段状に厚みが変化する形状を有し、前記１の方向に垂直な方向における前記階段の各段の幅は、通過する光の波長を越えていない、請求項２または３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記一対の位相変調マスクの少なくとも１の位相変調マスクは、位相変調機能を実現するための位相面と、前記位相面の裏側の面に設けられ、位相変調機能とは異なる他の機能を有する光学素子とを含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記一対の位相変調マスクそれぞれには、通過する光の位相変調度合いを変化させるための曲面または階段状の位相面が形成され、
前記一対の位相変調マスクそれぞれの曲面または階段状が形成された位相面が対向するように、前記一対の位相変調マスクが配置され、
前記絞りは、対向する前記位相面の間に設けられる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−１３７８９（Ｐ２０１２−１３７８９Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４７９９７（Ｐ２０１０−１４７９９７）
【出願日】平成２２年６月２９日（２０１０．６．２９）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２９日（２０１０．６．２９）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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